DE102019121679A1 - Dosing system with adjustable actuator - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem (1) für einen Dosierstoff, welches Dosiersystem (1) ein Gehäuse (11) mit einer Düse (60) und einem Zuführkanal (64) für Dosierstoff, ein im Gehäuse (11) angeordnetes Ausstoßelement (51) zum Ausstoßen von Dosierstoff aus der Düse (60), mindestens einen mit dem Ausstoßelement (51) und/oder der Düse (60) gekoppelten ersten Aktor (20), vorzugsweise einen Piezoaktor (20), und mindestens einen mit dem ersten Aktor (20) gekoppelten zweiten Aktor (30), vorzugsweise ein Dehnstoffelement (30), umfasst. Der zweite Aktor (30) ist ausgebildet, um eine Position des mindestens einen ersten Aktors (20) relativ zum Gehäuse (11), insbesondere in Bezug auf das Ausstoßelement (51) und/oder die Düse (60), einzustellen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Dosiersystems (1).The invention relates to a metering system (1) for a metering substance, which metering system (1) has a housing (11) with a nozzle (60) and a feed channel (64) for metering substance, an ejection element (51) arranged in the housing (11) for ejection of dosing substance from the nozzle (60), at least one first actuator (20) coupled to the ejection element (51) and / or the nozzle (60), preferably a piezo actuator (20), and at least one coupled to the first actuator (20) second actuator (30), preferably an expansion element (30). The second actuator (30) is designed to set a position of the at least one first actuator (20) relative to the housing (11), in particular with respect to the ejection element (51) and / or the nozzle (60). The invention also relates to a method for controlling such a metering system (1).
Description
Die Erfindung betrifft ein Dosiersystem für einen Dosierstoff, welches Dosiersystem ein Gehäuse mit einer Düse und einem Zuführkanal für Dosierstoff, ein im Gehäuse angeordnetes Ausstoßelement zum Ausstoßen von Dosierstoff aus der Düse, mindestens einen mit dem Ausstoßelement und/oder der Düse gekoppelten ersten Aktor, vorzugsweise einen Piezoaktor, und mindestens einen mit dem ersten Aktor gekoppelten zweiten Aktor, vorzugsweise ein Dehnstoffelement, umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Dosiersystems.The invention relates to a dosing system for a dosing substance, which dosing system has a housing with a nozzle and a feed channel for dosing substance, an ejection element arranged in the housing for ejecting dosing substance from the nozzle, at least one first actuator coupled to the ejection element and / or the nozzle, preferably a piezo actuator, and at least one second actuator coupled to the first actuator, preferably an expansion element. The invention also relates to a method for operating such a metering system.
Dosiersysteme der eingangs genannten Art werden typischerweise dazu eingesetzt, um ein zu dosierendes Medium gezielt, d. h. zum richtigen Zeitpunkt, am richtigen Ort und in einer genau dosierten Menge, auf eine Zieloberfläche aufzubringen. Dies kann beispielsweise durch eine tröpfchenweise Abgabe eines Dosierstoffs über eine Düse des Dosiersystems erfolgen. Im Rahmen der sogenannten „Mikrodosiertechnik“ ist es dabei oftmals erforderlich, dass sehr geringe Mengen des Dosierstoffs punktgenau und zwar berührungslos, also ohne einen direkten Kontakt zwischen dem Dosiersystem und der Zieloberfläche, auf der Zieloberfläche platziert werden. Ein typisches Beispiel dafür ist die Dosierung von Klebstoffpunkten, Lötpasten etc. bei der Bestückung von Leiterplatinen oder anderen elektronischen Elementen, oder die Aufbringung von Konverter-Materialien für LEDs.Dosing systems of the type mentioned at the beginning are typically used to selectively deliver a medium to be dosed, ie. H. at the right time, in the right place and in a precisely dosed amount on a target surface. This can be done, for example, by dispensing a metering substance drop by drop via a nozzle of the metering system. In the context of the so-called “microdosing technology”, it is often necessary that very small amounts of the dosing substance are placed on the target surface with pinpoint accuracy and contactless, i.e. without direct contact between the dosing system and the target surface. A typical example of this is the dosage of glue dots, soldering pastes etc. when assembling circuit boards or other electronic elements, or the application of converter materials for LEDs.
Ein solches kontaktloses Verfahren wird häufig als „Jet-Verfahren“ bezeichnet. Ein nach dem Jetverfahren arbeitendes Dosierventil wird üblicherweise als „Jetventil“ oder „jettendes Ventil“ bezeichnet. Entsprechend kann ein Dosiersystem, das zumindest ein derartiges Jetventil sowie ggf. noch weiteren Komponenten aufweist, als „jettendes Dosiersystem“ bezeichnet werden. Zur Abgabe des Mediums aus einem jettenden Dosiersystem bzw. Jetventil kann in der Düse des Dosiersystems ein bewegliches Ausstoßelement angeordnet sein, z. B. ein Stößel. Zum Ausstoßen von Dosierstoff kann das Ausstoßelement im Inneren der Düse in einer Ausstoßrichtung mit relativ hoher Geschwindigkeit in Richtung einer Düsenöffnung nach vorne gestoßen werden, wodurch ein einzelner Tropfen des Mediums aus der Düse ausgestoßen wird. Dieser Vorgang wird allgemein und im Folgenden als Ausstoßvorgang bezeichnet. Anschließend kann das Ausstoßelement in einer entgegengesetzten Rückzugsrichtung wieder zurückgezogen werden. Die Größe der Tröpfchen bzw. die Menge des Mediums pro Tröpfchen sind durch den Aufbau und die Ansteuerung sowie durch die dadurch erzielte Wirkung der Düse möglichst genau vorherbestimmbar.Such a contactless process is often referred to as the “jet process”. A metering valve that works according to the jet process is usually referred to as a “jet valve” or “jet valve”. Correspondingly, a dosing system that has at least one such jet valve and possibly also further components can be referred to as a “jetting dosing system”. To dispense the medium from a jetting metering system or jet valve, a movable ejection element can be arranged in the nozzle of the metering system, e.g. B. a plunger. In order to eject metering substance, the ejection element inside the nozzle can be pushed forward in an ejection direction at relatively high speed in the direction of a nozzle opening, whereby a single drop of the medium is ejected from the nozzle. This process is generally referred to below as the ejection process. The ejection element can then be withdrawn again in an opposite retraction direction. The size of the droplets or the amount of medium per droplet can be determined as precisely as possible in advance through the structure and control and through the effect of the nozzle achieved thereby.
Charakteristischerweise - und bevorzugt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung - wird bei einem jettenden Dosiersystem bzw. einem Jetventil der Dosierstoff durch eine (Ausstoß-)Bewegung des Ausstoßelements relativ zur Düse „aktiv“ aus der Düse ausgestoßen. Während des Ausstoßvorgangs kommt insbesondere eine Ausstoßspitze des Ausstoßelements in Kontakt mit dem abzugebenden Dosierstoff und „drückt“ bzw. „schiebt“ den Dosierstoff auf Grund der (Ausstoß-)Bewegung des Ausstoßelements und/oder der Düse aus der Düse des Dosiersystems hinaus. Damit unterscheidet sich ein jettendes Dosiersystem von anderen Dispenser-Systemen, bei denen eine Bewegung eines Verschlusselements lediglich zu einer Öffnung der Düse führt, wobei ein unter Druck stehender Dosierstoff dann von selbst aus der Düse austritt. Dies ist z. B. bei Einspritzventilen von Verbrennungsmotoren der Fall.Characteristically - and preferably also within the scope of the present invention - in a jetting dosing system or a jet valve, the dosing substance is "actively" ejected from the nozzle by an (ejecting) movement of the ejection element relative to the nozzle. During the ejection process, an ejection tip of the ejection element comes into contact with the dosing substance to be dispensed and "pushes" or "pushes" the dosing substance out of the nozzle of the dosing system due to the (ejection) movement of the ejection element and / or the nozzle. A jet dosing system thus differs from other dispenser systems in which a movement of a closure element only leads to an opening of the nozzle, with a pressurized dosing substance then exiting the nozzle by itself. This is e.g. B. the case with injection valves of internal combustion engines.
Alternativ oder zusätzlich zu dem bewegbaren Ausstoßelement kann zur Dosierstoffabgabe die Düse des Dosiersystems, z. B. die Düse eines Jetventils, selber in einer Ausstoß- bzw. Rückzugsrichtung bewegt werden. Zur Abgabe des Dosierstoffs können die Düse und ein im Inneren der Düse angeordnetes Ausstoßelement in einer Relativbewegung aufeinander zu bzw. voneinander weg bewegt werden, wobei die Relativbewegung entweder alleinig durch eine Bewegung der Düse oder zumindest teilweise auch durch eine entsprechende Bewegung des Ausstoßelements erfolgen kann.Alternatively or in addition to the movable ejector element, the nozzle of the dosing system, e.g. B. the nozzle of a jet valve, are themselves moved in an ejection or retraction direction. To dispense the dosing substance, the nozzle and an ejector element arranged inside the nozzle can be moved towards or away from one another in a relative movement, the relative movement being able to take place either solely by moving the nozzle or at least partially also by moving the ejector element accordingly.
Um im Betrieb des Dosiersystems, z. B. bei einem jettenden Dosiersystem, eine möglichst hohe Dosiergenauigkeit zu erreichen, ist eine konstante Relativbewegung zwischen dem Ausstoßelement und der Düse erforderlich. Die Menge an Dosierstoff, die bei einem jeweiligen Ausstoßvorgang aus der Düse abgegeben wird, hängt insbesondere von einem (hydraulisch) wirksamen Hub des Ausstoßelements und/oder der Düse ab, also z. B. von einer Wegstrecke, die das Ausstoßelement bei einer jeweiligen Ausstoßbewegung in Relation zur Düse zurücklegt.In order to operate the dosing system, e.g. B. with a jetting metering system to achieve the highest possible metering accuracy, a constant relative movement between the ejector element and the nozzle is required. The amount of metering substance that is dispensed from the nozzle during a respective ejection process depends in particular on a (hydraulically) effective stroke of the ejection element and / or the nozzle, ie z. B. of a distance which the ejection element travels with a respective ejection movement in relation to the nozzle.
Je kleiner der (hydraulisch) wirksame Hub eines Dosiersystems ist, desto wichtiger ist eine möglichst präzise Anordnung des Ausstoßelements und der Düse zueinander im Dosiersystem. Vor allem bei piezoelektrisch betriebenen Dosiersystemen ist der wirksame Hub des Ausstoßelements und/oder der Düse vergleichsweise gering, z. B. gegenüber Dosiersystemen mit Pneumatikaktoren. Daher ist besonders bei Dosiersystemen mit Piezoaktoren eine der wichtigsten Aufgaben das genaue Einrichten des Gesamtsystems, also das Einstellen der Position zwischen dem Ausstoßelement und der Düse.The smaller the (hydraulically) effective stroke of a dosing system, the more important it is to arrange the ejector element and the nozzle as precisely as possible in relation to one another in the dosing system. Especially with piezoelectrically operated metering systems, the effective stroke of the ejection element and / or the nozzle is comparatively small, e.g. B. compared to dosing systems with pneumatic actuators. For this reason, one of the most important tasks in dispensing systems with piezo actuators, in particular, is the precise setting up of the overall system, i.e. setting the position between the ejector element and the nozzle.
Zwar können piezoelektrisch betriebene Dosiersysteme vor einer Auslieferung an einen Kunden erstmalig eingerichtet bzw. justiert werden. Beispielsweise können der Piezoaktor und das Ausstoßelement sowie ggf. weitere Komponenten werksseitig so im Dosiersystems angeordnet und justiert werden, dass mittels einer Auslenkung des Piezoaktors eine bestimmte Relativbewegung des Ausstoßelements gegenüber der Düse erfolgt, um eine gewünschte Menge an Dosierstoff bei der Ausstoßbewegung auszustoßen.Piezoelectrically operated metering systems can be used before delivery to a customer set up or adjusted for the first time. For example, the piezo actuator and the ejection element and possibly other components can be arranged and adjusted at the factory in the dosing system in such a way that a certain relative movement of the ejection element relative to the nozzle occurs by means of a deflection of the piezo actuator in order to eject a desired amount of dosing substance during the ejection movement.
Es hat sich allerdings gezeigt, dass diese einmalige Justierung des Dosiersystems häufig nicht ausreicht, um auch im Dauerbetrieb des Dosiersystems eine konstant hohe Dosiergenauigkeit zu erreichen. Je nach Betriebssituation des Dosiersystems können sich daher unter Umständen erhebliche Abweichungen zwischen einer gewünschten SollMenge und einer tatsächlichen Ist-Menge an ausgestoßenem Dosierstoff ergeben.However, it has been shown that this one-off adjustment of the dosing system is often not sufficient to achieve a consistently high level of dosing accuracy even when the dosing system is in continuous operation. Depending on the operating situation of the dosing system, there may therefore be considerable deviations between a desired target amount and an actual actual amount of dosing substance expelled.
Das kann zum einen daran liegen, dass die Frequenz der Dosierstoffabgabe, also die Aktor-Frequenz, je nach Dosieranforderung im Betrieb stark schwanken kann. Die unterschiedlichen Belastungssituationen des Aktors können insbesondere bei Piezoaktoren zu unterschiedlichen Verlustleistungen führen, wobei die jeweilige Temperatur des Piezoaktors schwanken kann. Das kann in weiterer Folge zu einer thermischen Längendehnung des Piezoaktors sowie ggf. weiterer Komponenten des Dosiersystems führen. Auf Grund einer Kopplung zwischen Piezoaktor und Ausstoßelement kann die thermische Längsdehnung des Piezoaktors auch den (hydraulisch) wirksamen Hub des Ausstoßelements unerwünscht verändern und so die Dosiergenauigkeit beeinflussen.On the one hand, this can be due to the fact that the frequency of the dosing substance delivery, i.e. the actuator frequency, can fluctuate greatly depending on the dosing requirement during operation. The different load situations of the actuator can lead to different power losses, especially in the case of piezo actuators, and the respective temperature of the piezo actuator can fluctuate. This can subsequently lead to thermal elongation of the piezo actuator and possibly other components of the dosing system. Due to a coupling between the piezo actuator and the ejector element, the thermal longitudinal expansion of the piezo actuator can also undesirably change the (hydraulically) effective stroke of the ejector element and thus influence the metering accuracy.
Zum anderen können die beweglichen Komponenten des Dosiersystems im Betrieb einer Abnutzung bzw. einem Verschleiß unterliegen. Beispielsweise kann sich eine Ausstoßspitze des Ausstoßelements durch einen häufigen Kontakt mit der Düse zumindest bereichsweise so abnutzen, dass ein gewünschter (hydraulisch) wirksamer Hub des Ausstoßelements nicht mehr zuverlässig erreicht wird. Auch dadurch kann sich die jeweils abgegebene Dosierstoffmenge ändern.On the other hand, the moving components of the dosing system can be subject to wear and tear during operation. For example, due to frequent contact with the nozzle, an ejection tip of the ejection element can wear out at least in areas such that a desired (hydraulically) effective stroke of the ejection element is no longer reliably achieved. This can also change the amount of dosing substance dispensed.
Weiterhin kann es von Zeit zu Zeit erforderlich sein, dass verschlissene Komponenten des Dosiersystems ausgetauscht werden müssen, z. B. ein abgenutztes Ausstoßelement. Um auch nach dem Austausch eine hohe Dosiergenauigkeit zu erreichen, ist eine erneute Justierung des Dosiersystems erforderlich. Dieser relativ komplexe Prozess kann durch einen Nutzer des Dosiersystems häufig nicht mit der nötigen Präzision durchgeführt werden, so dass es zu unerwünschten Änderungen des benötigten Dosierprozesses kommen kann.Furthermore, it may be necessary from time to time that worn components of the dosing system have to be replaced, e.g. B. a worn ejector element. In order to achieve a high level of dosing accuracy even after the replacement, it is necessary to readjust the dosing system. This relatively complex process often cannot be carried out with the necessary precision by a user of the dosing system, so that undesired changes in the required dosing process can occur.
Allerdings ist - wie eingangs erwähnt - besonders in der Mikrodosiertechnik eine hochgenaue Dosierstoffabgabe gewünscht. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die zuvor beschriebenen nachteiligen Effekte zu reduzieren.However - as mentioned at the beginning - a highly precise dosing substance delivery is desired, especially in microdosing technology. It is therefore an object of the present invention to reduce the adverse effects described above.
Diese Aufgabe wird durch ein Dosiersystem gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Dosiersystems gemäß Patentanspruch 7 gelöst.This object is achieved by a metering system according to
Ein erfindungsgemäßes Dosiersystem für einen flüssigen bis zähflüssigen Dosierstoff umfasst ein Gehäuse, wobei das Gehäuse eine Düse mit einer Düsenöffnung und einen Zuführkanal zum Zuführen von Dosierstoff in die Düse aufweist. Im Gehäuse des Dosiersystems sind ein Ausstoßelement zum Ausstoßen des Dosierstoffs aus der Düse und zumindest ein mit dem Ausstoßelement und/oder der Düse gekoppelter erster Aktor angeordnet. Vorzugsweise kann der erste Aktor ein Piezoaktor sein, insbesondere ein steuerbarer Piezostack, auch wenn grundsätzlich auch andere Aktorarten denkbar sind. Besonders bevorzugt kann der erste Aktor ein hermetisch dicht in ein Aktorgehäuse eingekapselter Piezostack sein. Im Folgenden wird die Erfindung der besseren Verständlichkeit wegen, ohne eine Beschränkung darauf, anhand eines piezoelektrisch betriebenen Dosiersystems erläutert, d. h., dass der erste Aktor ein Piezoaktor ist.A metering system according to the invention for a liquid to viscous metering substance comprises a housing, the housing having a nozzle with a nozzle opening and a feed channel for feeding metering substance into the nozzle. An ejector element for ejecting the metering substance from the nozzle and at least one first actuator coupled to the ejector element and / or the nozzle are arranged in the housing of the dosing system. The first actuator can preferably be a piezo actuator, in particular a controllable piezo stack, even if, in principle, other types of actuators are also conceivable. Particularly preferably, the first actuator can be a piezo stack hermetically sealed in an actuator housing. In the following, for the sake of better understanding, the invention is explained using a piezoelectrically operated metering system, without being restricted thereto. This means that the first actuator is a piezo actuator.
Die Abgabe des Dosierstoffs aus dem erfindungsgemäßen Dosiersystem kann nach einem der eingangs erläuterten Prinzipien erfolgen. Entsprechend kann - wie das meist der Fall ist - in der Düse des Dosiersystems (insbesondere im Bereich der Düse z. B. kurz vor einer Austrittsöffnung) ein mit relativ hoher Geschwindigkeit bewegbares Ausstoßelement zum Ausstoßen des Dosierstoffs aus der Düse angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann wie erwähnt die Austrittsöffnung, also z. B. die Düse, des Dosiersystems bewegbar ausgebildet sein. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass die Dosierstoffabgabe mittels eines bewegbaren Ausstoßelements erfolgt wie dies bevorzugt ist, z. B. mit einem Stößel. Allerdings soll die Erfindung nicht darauf beschränkt sein.The dispensing of the metering substance from the metering system according to the invention can take place according to one of the principles explained at the beginning. Correspondingly - as is usually the case - an ejection element movable at relatively high speed for ejecting the dosing substance from the nozzle can be arranged in the nozzle of the dosing system (in particular in the area of the nozzle, e.g. shortly before an outlet opening). Alternatively or additionally, as mentioned, the outlet opening, so z. B. the nozzle of the metering system can be made movable. In the following it is assumed that the dosing substance is dispensed by means of a movable ejection element, as is preferred, e.g. B. with a plunger. However, the invention is not intended to be limited thereto.
Besonders bevorzugt kann das erfindungsgemäße Dosiersystem nach dem „Jet-Verfahren“ arbeiten. Insbesondere kann das Dosiersystem daher zumindest ein Jetventil umfassen. Diesbezüglich wird auf die eingangs gegebene Definition verwiesen.The metering system according to the invention can particularly preferably operate according to the “jet process”. In particular, the metering system can therefore include at least one jet valve. In this regard, reference is made to the definition given at the beginning.
Der erste Aktor des Dosiersystems ist zumindest zeitweise funktional mit dem Ausstoßelement bzw. der Düse gekoppelt. Die Kopplung erfolgt derart, dass die vom ersten Aktor ausgeübten Kräfte und Bewegungen so an das Ausstoßelement (bzw. die Düse) weitergeleitet werden, dass hieraus eine gewünschte, vorzugsweise vertikale, Bewegung des Ausstoßelements und/oder der Düse zur Abgabe des Dosierstoffs aus der Düse resultiert. Der erste Aktor kann direkt, d. h. ohne weitere bewegungsvermittelnde Komponenten auf das Ausstoßelement wirken. Es ist allerdings bevorzugt, dass das Dosiersystem einen Bewegungsmechanismus umfasst, um eine Auslenkung des ersten Aktors über eine gewisse Distanz hin (also indirekt) an das Ausstoßelement zu übertragen. Dies wird später noch erläutert.The first actuator of the dosing system is functionally coupled at least at times to the ejection element or the nozzle. The coupling takes place in such a way that the forces and movements exerted by the first actuator are passed on to the ejection element (or the nozzle) in such a way that a desired, preferably vertical, movement of the ejection element and / or the nozzle for dispensing the metering substance from the nozzle results. The first actuator can act directly on the ejector element, that is to say without further movement-imparting components. However, it is preferred that the metering system comprises a movement mechanism in order to transmit a deflection of the first actuator over a certain distance (that is, indirectly) to the ejection element. This will be explained later.
Erfindungsgemäß befindet sich im Gehäuse des Dosiersystems zumindest ein weiterer zweiter Aktor, der mit dem ersten Aktor, insbesondere mit dem Piezoaktor, gekoppelt ist. Der zweite Aktor ist dazu ausgebildet, um eine Position des ersten Aktors, beispielsweise des in ein Aktorgehäuse eingekapselten Piezostacks, relativ zum Gehäuse, insbesondere in Bezug auf das Ausstoßelement und/oder die Düse, einzustellen. Der erste Aktor und der zweite Aktor sind hierzu separat ansteuerbar. Der zweite Aktor kann daher auch als Positionierungs-Aktor zur Positionierung des ersten, mit dem Ausstoßelement und/oder der Düse gekoppelten Aktors, bezeichnet werden. Die Kopplung kann derart erfolgen, dass der Positionierungs-Aktor dem ersten Aktor nur anliegt und/oder aufliegt. Das bedeutet, der Positionierungs-Aktor steht mit dem ersten Aktor zwar in Wirkkontakt, wobei eine feste Verbindung zwischen den beiden Komponenten aber nicht unbedingt erforderlich ist. Der Positionierungs-Aktor kann im Prinzip ein beliebiger Aktortyp sein, z. B. ein steuerbarer Piezoaktor, beispielsweise auch wieder ein in ein eigenes Aktorgehäuse eingekapselter Piezostack, ein Formgedächtnis-Aktor, ein magnetistriktiver Aktor oder ähnliches. Bevorzugt handelt es sich bei dem zweiten Aktor um einen anderen Aktortyp als bei dem ersten Aktor, da der zweite Aktor ja grundsätzlich nicht mit so hohen Ausdehnungs-Geschwindigkeiten wie der erste Aktor arbeiten muss.According to the invention, there is at least one further second actuator in the housing of the metering system, which is coupled to the first actuator, in particular to the piezo actuator. The second actuator is designed to set a position of the first actuator, for example the piezo stack encapsulated in an actuator housing, relative to the housing, in particular with respect to the ejection element and / or the nozzle. The first actuator and the second actuator can be controlled separately for this purpose. The second actuator can therefore also be referred to as a positioning actuator for positioning the first actuator coupled to the ejection element and / or the nozzle. The coupling can take place in such a way that the positioning actuator only rests and / or rests on the first actuator. This means that the positioning actuator is in operative contact with the first actuator, but a fixed connection between the two components is not absolutely necessary. The positioning actuator can in principle be any type of actuator, e.g. B. a controllable piezo actuator, for example again a piezo stack encapsulated in its own actuator housing, a shape memory actuator, a magnetistictive actuator or the like. The second actuator is preferably a different type of actuator than the first actuator, since the second actuator does not, in principle, have to work at such high expansion speeds as the first actuator.
Bevorzugt kann der Positionierungs-Aktor zumindest ein Dehnstoffelement umfassen. Besonders bevorzugt kann der zweite Aktor mittels eines Dehnstoffelements realisiert sein. Entsprechend kann das Dehnstoffelement ausgebildet sein, um eine Position des mindestens einen ersten Aktors relativ zum Gehäuse, insbesondere in Bezug auf das Ausstoßelement und/oder die Düse, einzustellen. Der Vorteil eines solchen Dehnstoffelements liegt in einem besseren Verhältnis zwischen gesamter Bauhöhe (und auch Bauvolumen) und nutzbarem Maximalhub bei vergleichbaren Einsatzkräften. Nachfolgend wird die Erfindung, ohne eine Beschränkung darauf, anhand eines mittels eines Dehnstoffelements realisierten zweiten Aktors beschrieben. D. h., sofern nicht anders erwähnt, wird im Rahmen der Anmeldung der erste Aktor (zur Bewegung des Stößels und/oder der Düse) nur kurz als „Aktor“ bzw. „Piezoaktor“ bezeichnet, wobei der zweite (Positionierungs-)Aktor ohne Beschränkung der Allgemeinheit als „Dehnstoffelement“ bezeichnet wird.The positioning actuator can preferably comprise at least one expansion element. The second actuator can particularly preferably be implemented by means of an expansion element. Correspondingly, the expansion element can be designed to set a position of the at least one first actuator relative to the housing, in particular in relation to the ejection element and / or the nozzle. The advantage of such an expansion element lies in a better ratio between the overall height (and also the volume) and the usable maximum stroke for comparable forces. The invention is described below, without being restricted thereto, on the basis of a second actuator implemented by means of an expansion element. In other words, unless otherwise mentioned, the first actuator (for moving the plunger and / or the nozzle) is only briefly referred to as “actuator” or “piezo actuator”, with the second (positioning) actuator is referred to as “expansion element” without loss of generality.
Unter einem Dehnstoffelement bzw. Dehnstoffarbeitselement wird entsprechend der allgemeinen Definition ein einen Dehnstoff aufweisendes, z. B. mit einem Dehnstoff gefülltes, aktiv ausdehnbares Element verstanden, welches auch als „thermischer Expansionsaktor“ bezeichnet werden kann. Das Dehnstoffelement kann neben dem Dehnstoff noch weitere Komponenten umfassen, z. B. ein den Dehnstoff einfassendes Gehäuse und einen Arbeitskolben, wie später erläutert wird. Wie allgemein üblich, ist der Dehnstoff vorzugsweise so ausgebildet, dass eine Temperaturänderung des Dehnstoffs zu einer Volumenänderung des Dehnstoffs führt. Durch eine entsprechende Ausgestaltung des Dehnstoffelements kann über die Volumenänderung des Dehnstoffs eine bestimmte bzw. gerichtete Bewegung (ein Hub) erzeugt werden. Dabei kann das Ausmaß der erzeugten Bewegung (wie üblich) in etwa proportional zur Volumenänderung des Dehnstoffs sein.Under an expansion element or expansion material working element, according to the general definition, an expansion material having e.g. B. understood with an expansion material filled, actively expandable element, which can also be referred to as a "thermal expansion actuator". The expansion element can include other components in addition to the expansion material, such. B. a housing enclosing the expansion material and a working piston, as will be explained later. As is generally customary, the expansion material is preferably designed such that a change in temperature of the expansion material leads to a change in volume of the expansion material. A specific or directed movement (a stroke) can be generated by means of a corresponding design of the expansion element via the change in volume of the expansion material. The extent of the movement generated (as usual) can be roughly proportional to the change in volume of the expansion material.
Um mittels des Dehnstoffelements einen bestimmten Hub zu erzeugen, kann das Dehnstoffelement über eine Steuereinheit des Dosiersystems gesteuert und/oder geregelt werden. Zur Steuerung und/oder Regelung des Dehnstoffelements wird im Rahmen der Erfindung insbesondere eine Temperatur des Dehnstoffelements gesteuert und/oder geregelt. Weitere Details zum Dehnstoffelement sowie zur Steuereinheit werden zu einem späteren Zeitpunkt gegeben.In order to generate a certain stroke by means of the expansion element, the expansion element can be controlled and / or regulated via a control unit of the dosing system. To control and / or regulate the expansion element, in particular a temperature of the expansion element is controlled and / or regulated within the scope of the invention. Further details on the expansion element and the control unit will be given at a later date.
Das Dehnstoffelement ist erfindungsgemäß dazu ausgebildet und so im Dosiersystem angeordnet, dass eine bestimmte Position des (ersten) Aktors relativ zum Gehäuse des Dosiersystems eingestellt werden kann. Das bedeutet, dass mittels des Dehnstoffelements eine gewünschte räumliche Anordnung des Aktors, insbesondere des Piezoaktors, innerhalb des Gehäuses erreicht werden kann. Insbesondere kann die Position des Aktors im Gehäuse mittels des Dehnstoffelements im Betrieb aktiv verändert werden, z. B. während einer jeweiligen Ausstoßbewegung und/oder einer jeweiligen Rückzugsbewegung des Ausstoßelements. Mit anderen Worten, der Aktor kann durch das Dehnstoffelement, zumindest in geringem Umfang, im Gehäuse bewegt werden.According to the invention, the expansion element is designed for this purpose and is arranged in the metering system in such a way that a specific position of the (first) actuator can be set relative to the housing of the metering system. This means that a desired spatial arrangement of the actuator, in particular the piezo actuator, within the housing can be achieved by means of the expansion element. In particular, the position of the actuator in the housing can be actively changed by means of the expansion element during operation, e.g. B. during a respective ejection movement and / or a respective retraction movement of the ejection element. In other words, the actuator can be moved in the housing by the expansion element, at least to a small extent.
Bevorzugt ist das Dehnstoffelement dementsprechend so im Dosiersystem angeordnet, dass der mittels des Dehnstoffelements erzeugte Hub überwiegend vollständig auf den Aktor, insbesondere den Piezoaktor, übertragen und zur Positionierung des Aktors genutzt werden kann.The expansion element is accordingly arranged in the metering system in such a way that the stroke generated by means of the expansion element can predominantly be completely transferred to the actuator, in particular the piezo actuator, and used for positioning the actuator.
Das Dehnstoffelement ist insbesondere dazu ausgebildet und so im Dosiersystem angeordnet, um die Position des (ersten) Aktors, insbesondere des Piezoaktors, in Bezug auf das Ausstoßelement und/oder die Düse des Dosiersystems einzustellen. Besonders bevorzugt kann mittels des Dehnstoffelements eine Lage eines Druckstücks des Aktors, welches die vom Aktor erzeugten Kräfte (direkt oder indirekt) auf das Ausstoßelement und/oder der Düse überträgt, in Bezug auf das Ausstoßelement und/oder die Düse eingestellt und/oder verändert werden. Beispielsweise kann - je nach konkretem Aufbau des Dosiersystems - mittels des Dehnstoffelements ein bestimmter Abstand zwischen dem Druckstück des Aktors und einer Düsenöffnung der Düse eingestellt werden. In gleicher Weise kann auch ein Abstand zwischen dem Drückstück des Aktors und dem Ausstoßelement eingestellt werden.The expansion element is designed in particular for this and is arranged in the metering system in order to adjust the position of the (first) actuator, in particular of the piezo actuator in relation to the ejection element and / or the nozzle of the dosing system. Particularly preferably, a position of a pressure piece of the actuator, which transfers the forces generated by the actuator (directly or indirectly) to the ejection element and / or the nozzle, can be set and / or changed in relation to the ejection element and / or the nozzle by means of the expansion element . For example, depending on the specific structure of the metering system, the expansion element can be used to set a certain distance between the pressure piece of the actuator and a nozzle opening of the nozzle. In the same way, a distance between the pressure piece of the actuator and the ejection element can also be set.
Vorteilhafterweise kann mittels des Dehnstoffelements eine bestimmte Soll-Anordnung zwischen dem (ersten) Aktor und dem Ausstoßelement bzw. der Düse eingestellt werden, so dass durch eine jeweilige Auslenkung des Aktors eine möglichst exakt bestimmte Dosierstoffmenge aus der Düse ausgestoßen wird. Das erfindungsgemäße Dosiersystem umfasst also mit dem Dehnstoffelement ein zusätzliches Stellglied zur „punktgenauen“ Positionierung des Aktors im Gehäuse, so dass z. B. die hohe Dynamik des Piezoaktors nahezu vollständig für die eigentliche Dosierfunktion des Dosiersystems genutzt werden kann.Advantageously, the expansion element can be used to set a specific target arrangement between the (first) actuator and the ejection element or the nozzle, so that a specific amount of dosing agent is ejected from the nozzle by a respective deflection of the actuator. The dosing system according to the invention thus comprises with the expansion element an additional actuator for "precise" positioning of the actuator in the housing, so that, for. B. the high dynamics of the piezo actuator can be used almost completely for the actual dosing function of the dosing system.
Ein besonderer Vorteil ist, dass eine solche Soll-Anordnung bzw. Soll-Position des Aktors auch im Betrieb des Dosiersystems überwiegend konstant gehalten werden kann. Das Dehnstoffelement kann nämlich einerseits dazu genutzt werden, um thermische Ausgleichsfunktionen zu erfüllen, was auch als „thermische Kompensation“ bezeichnet wird. Beispielsweise können im Betrieb auftretende thermische Längenänderungen des Aktors, insbesondere des Piezoaktors, durch ein gegenläufiges Betreiben des Dehnstoffelements kompensiert werden, so dass eine Position des Aktors gegenüber dem Ausstoßelement und/oder der Düse im Betrieb konstant gehalten werden kann.A particular advantage is that such a target arrangement or target position of the actuator can be kept largely constant even when the metering system is in operation. On the one hand, the expansion element can be used to perform thermal compensation functions, which is also referred to as “thermal compensation”. For example, thermal changes in length of the actuator, in particular the piezo actuator, that occur during operation can be compensated for by operating the expansion element in opposite directions, so that a position of the actuator relative to the ejection element and / or the nozzle can be kept constant during operation.
Andererseits kann das Dehnstoffelement auch mechanische Ausgleichsfunktionen erfüllen, z. B. um einen betriebsbedingten Verschleiß von Komponenten des Dosiersystems zu kompensieren. Beispielsweise kann der Aktor, insbesondere der Piezoaktor, mittels des Dehnstoffelements im Betrieb routinemäßig so im Gehäuse (um- )positioniert werden, dass die Soll-Anordnung trotz Verscheiß- bzw. Abnutzungserscheinungen von insbesondere beweglichen Komponenten (wie des Ausstoßelements) im Betrieb weitestgehend konstant bleibt.On the other hand, the expansion element can also perform mechanical compensation functions, e.g. B. to compensate for operational wear of components of the dosing system. For example, the actuator, in particular the piezo actuator, can be routinely (re) positioned in the housing by means of the expansion element during operation in such a way that the target arrangement remains largely constant during operation despite signs of wear and tear on particularly moving components (such as the ejector element) .
Weiterhin vorteilhaft kann das Dehnstoffelement auch dazu genutzt werden, um das Gesamtsystem nach einer zeitweisen Unterbrechung des Dosierbetriebs (wieder) korrekt einzustellen. Dadurch ist es z. B. möglich, dass im Bedarfsfall gezielt nur eine verschlissene Komponente des Dosiersystems getauscht werden muss, z. B. ein Stößel, anstatt einer eingepassten Baugruppe. Eine Wiederherstellung der Soll-Anordnung kann dann mittels des Dehnstoffelements erfolgen. Daher können bei dem erfindungsgemäßen Dosiersystem die verschleißbedingten Kosten gegenüber bekannten Dosiersystemen reduziert werden.Furthermore, the expansion element can advantageously also be used to (re) set the entire system correctly after a temporary interruption in the metering operation. This makes it z. B. possible that if necessary, only one worn component of the dosing system needs to be replaced, z. B. a plunger instead of a fitted assembly. The desired arrangement can then be restored by means of the expansion element. Therefore, with the metering system according to the invention, the wear-related costs can be reduced compared to known metering systems.
Auf Grund der zuvor erläuterten vorteilhaften Effekte kann die Dosiergenauigkeit bei dem erfindungsgemäßen Dosiersystem gegenüber bekannten Dosiersystemen erheblich verbessert werden.On the basis of the advantageous effects explained above, the metering accuracy in the metering system according to the invention can be considerably improved compared to known metering systems.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung eines Dosiersystems für einen flüssigen bis zähflüssigen Dosierstoff umfasst das Dosiersystem ein Gehäuse, wobei das Gehäuse eine Düse und einen Zuführkanal für Dosierstoff aufweist. Das Dosiersystem umfasst weiterhin ein im Gehäuse angeordnetes Ausstoßelement zum Ausstoßen von Dosierstoff aus der Düse, zumindest einen mit dem Ausstoßelement und/oder der Düse gekoppelten ersten Aktor, vorzugsweise einen Piezoaktor, und zumindest einen mit dem ersten Aktor gekoppelten zweiten Aktor, vorzugsweise ein Dehnstoffelement. Der zweite Aktor wird mittels einer Steuereinheit so gesteuert und/oder geregelt, dass eine Position des zumindest einen ersten Aktors relativ zum Gehäuse, insbesondere in Bezug auf das Ausstoßelement und/oder die Düse, eingestellt wird.In a method according to the invention for controlling a metering system for a liquid to viscous metering substance, the metering system comprises a housing, the housing having a nozzle and a feed channel for metering substance. The dosing system further comprises an ejection element arranged in the housing for ejecting dosing substance from the nozzle, at least one first actuator coupled to the ejection element and / or the nozzle, preferably a piezo actuator, and at least one second actuator, preferably an expansion element, coupled to the first actuator. The second actuator is controlled and / or regulated by means of a control unit in such a way that a position of the at least one first actuator relative to the housing, in particular in relation to the ejection element and / or the nozzle, is set.
Zur Positionierung des (ersten) Aktors im Gehäuse kann eine Ausdehnlänge bzw. Expansion des Dehnstoffelements in zumindest eine Richtung gesteuert und/oder geregelt werden. Besonders bevorzugt kann die Ausdehnlänge des Dehnstoffelements über die Temperatur des Dehnstoffelements gesteuert und/oder geregelt werden. Dies wird später noch im Detail erläutert.To position the (first) actuator in the housing, an expansion length or expansion of the expansion element can be controlled and / or regulated in at least one direction. Particularly preferably, the expansion length of the expansion element can be controlled and / or regulated via the temperature of the expansion element. This will be explained in detail later.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen und Ausführungsbeispielen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.Further, particularly advantageous configurations and developments of the invention emerge from the dependent claims and the following description, whereby the independent claims of one claim category can also be developed analogously to the dependent claims and exemplary embodiments of another claim category and in particular also individual features of various exemplary embodiments or variants can be combined to new embodiments or variants.
Der zweite Aktor, insbesondere das Dehnstoffelement, ist vorzugsweise so ausgebildet und im Gehäuse angeordnet, um über die Position des (ersten) Aktors, insbesondere des Piezoaktors, eine Position des Ausstoßelements in Bezug auf die Düse des Dosiersystems einzustellen. Insbesondere kann mittels des Dehnstoffelements über die Lage des (ersten) Aktors ein Abstand zwischen einer Ausstoßspitze des Ausstoßelements und einer Düsenöffnung der Düse eingestellt werden.The second actuator, in particular the expansion element, is preferably designed and arranged in the housing in order to use the position of the (first) actuator, in particular the piezo actuator, to determine a position of the ejection element in relation to the nozzle of the dosing system. In particular, a distance between an ejection tip of the ejection element and a nozzle opening of the nozzle can be set by means of the expansion element via the position of the (first) actuator.
In einem entsprechenden Verfahren zur Steuerung des Dosiersystems kann der zweite Aktor, insbesondere das Dehnstoffelement, daher so gesteuert und/oder geregelt werden, dass eine Position des Ausstoßelements in Bezug auf die Düse des Dosiersystems eingestellt wird. Bevorzugt kann das Dehnstoffelement so gesteuert und/oder geregelt werden, dass über die Position des (ersten) Aktors, insbesondere des Piezoaktors, ein bestimmter Abstand zwischen der Ausstoßspitze des Ausstoßelements und der Düsenöffnung der Düse eingestellt wird.In a corresponding method for controlling the dosing system, the second actuator, in particular the expansion element, can therefore be controlled and / or regulated in such a way that a position of the ejection element is set in relation to the nozzle of the dosing system. The expansion element can preferably be controlled and / or regulated in such a way that a certain distance between the ejection tip of the ejection element and the nozzle opening of the nozzle is set via the position of the (first) actuator, in particular the piezo actuator.
In einem bevorzugten Verfahren zur Steuerung des Dosiersystems kann die Steuerung und/oder Regelung des zweiten Aktors, insbesondere des Dehnstoffelements, so erfolgen, dass eine Temperatur des zweiten Aktors, vorzugsweise des Dehnstoffelements, insbesondere eine Temperatur des Dehnstoffs, gesteuert und/oder geregelt wird. Bevorzugt kann dazu zumindest eine dem Dehnstoffelement zugeordnete Heizeinrichtung und/oder zumindest eine dem Dehnstoffelement zugeordnete Kühleinrichtung gesteuert und/oder geregelt werden, wie später erläutert wird. Besonders bevorzugt kann eine Temperatur des Dehnstoffelements so eingestellt werden, dass ein bestimmter Hub des Dehnstoffelements erzeugt wird, um den Aktor, insbesondere den Piezoaktor, und/oder das Ausstoßelement in einer bestimmten Position im Gehäuse anzuordnen.In a preferred method for controlling the metering system, the control and / or regulation of the second actuator, in particular the expansion element, can be carried out such that a temperature of the second actuator, preferably the expansion element, in particular a temperature of the expansion material, is controlled and / or regulated. For this purpose, at least one heating device assigned to the expansion element and / or at least one cooling device assigned to the expansion element can preferably be controlled and / or regulated, as will be explained later. Particularly preferably, a temperature of the expansion element can be set so that a certain stroke of the expansion element is generated in order to arrange the actuator, in particular the piezo actuator, and / or the ejection element in a certain position in the housing.
Das Ausstoßelement kann, wie gesagt, vorzugsweise mittels eines Bewegungsmechanismus mit dem (ersten) Aktor, insbesondere mit dem Piezoaktor, gekoppelt sein. Das Ausstoßelement wird synonym auch als Stößel bezeichnet. Nachfolgend wird die Erfindung, ohne eine Beschränkung darauf, anhand eines Dosiersystem mit einem Bewegungsmechanismus beschrieben. Der Bewegungsmechanismus kann ein Kopplungselement umfassen, um die Bewegungen des Aktors an das Ausstoßelement zu übertragen. Die Kopplung zwischen dem Aktor, bzw. dem Piezoaktor, insbesondere dessen Druckstück, und dem Bewegungsmechanismus und/oder zwischen dem Bewegungsmechanismus und dem Ausstoßelement ist vorzugsweise keine feste Kopplung, d. h. die jeweiligen Komponenten sind zur Kopplung vorzugsweise nicht miteinander verschraubt, verschweißt, verklebt etc.As mentioned, the ejection element can preferably be coupled to the (first) actuator, in particular to the piezo actuator, by means of a movement mechanism. The ejection element is also referred to synonymously as the ram. The invention is described below, without being restricted thereto, on the basis of a metering system with a movement mechanism. The movement mechanism can comprise a coupling element in order to transmit the movements of the actuator to the ejection element. The coupling between the actuator, or the piezo actuator, in particular its pressure piece, and the movement mechanism and / or between the movement mechanism and the ejector element is preferably not a fixed coupling, ie. H. the respective components are preferably not screwed, welded, glued, etc. to one another for coupling.
Besonders bevorzugt kann das Kopplungselement ein Übersetzungselement aufweisen, z. B. ein Hebelsystem mit einem verkippbar gelagerten Hebel oder dergleichen, um eine Auslenkung des Aktors um einen bestimmten Faktor zu erhöhen. Insbesondere kann das Übersetzungselement ausgebildet sein, um ein bestimmtes Übersetzungs-Verhältnis zwischen einer Auslenkung bzw. einem Hub des Aktors und einer daraus resultierenden Bewegung bzw. einem Hub des Stößels zu erzeugen. Das bedeutet einerseits, dass mittels des Übersetzungselements eine Auslenkung des (ersten) Aktors in einen bestimmten, gewünschten Hub des Stößels übersetzt werden kann.Particularly preferably, the coupling element can have a translation element, for. B. a lever system with a tiltably mounted lever or the like to increase a deflection of the actuator by a certain factor. In particular, the transmission element can be designed to generate a specific transmission ratio between a deflection or a stroke of the actuator and a resulting movement or a stroke of the plunger. On the one hand, this means that a deflection of the (first) actuator can be translated into a specific, desired stroke of the plunger by means of the translation element.
Anderseits kann das Übersetzungselement vorteilhaft auch dazu genutzt werden, um eine Positionsänderung des (ersten) Aktors, vorzugsweise verursacht durch das Dehnstoffelement, in verstärktem Ausmaß an das Ausstoßelement zu übertragen. Das bedeutet, dass mittels einer vergleichsweise geringen Positionsänderung des Aktors durch das Dehnstoffelement eine relativ große Positionsänderung des Ausstoßelements bewirkt werden kann.On the other hand, the translation element can advantageously also be used to transmit a change in position of the (first) actuator, preferably caused by the expansion element, to the ejection element to a greater extent. This means that a relatively large change in position of the ejector element can be brought about by means of a comparatively small change in position of the actuator through the expansion element.
Der zweite Aktor, insbesondere das Dehnstoffelement, ist vorzugsweise so ausgebildet und im Gehäuse angeordnet, um das Ausstoßelement während eines definierten Betriebszustands des Dosiersystems in eine in geeigneter Weise definierte „Adjust-Position“ des Ausstoßelements zu bewegen. Der Betriebszustand entspricht vorzugsweise einer im Betrieb vorgesehenen größtmöglichen Auslenkung des (ersten) Aktors, insbesondere des Piezoaktors. Bevorzugt kann zur Einstellung der „Adjust-Position“ eine Positionsänderung des (ersten) Aktors mittels des Bewegungsmechanismus auf das Ausstoßelement übertragen werden.The second actuator, in particular the expansion element, is preferably designed and arranged in the housing in order to move the ejector element into a suitably defined “adjust position” of the ejector element during a defined operating state of the dosing system. The operating state preferably corresponds to the greatest possible deflection of the (first) actuator, in particular the piezo actuator, provided during operation. In order to set the “adjust position”, a change in position of the (first) actuator can preferably be transmitted to the ejector element by means of the movement mechanism.
Die „Adjust-Position“ ist hier bevorzugt dadurch gekennzeichnet bzw. definiert, dass das Ausstoßelement, insbesondere die Ausstoßspitze des Stößels, mit einer bestimmten Kraft in die Düse gedrückt wird. Die vom Stößel in der Adjust-Position auf die Düse ausgeübte Kraft wird als Eindrückkraft oder Dichtkraft bezeichnet. Der Stößel kann in der Adjust-Position so in einen Dichtsitz der Düse gedrückt werden, dass ein Dichtbereich der Düse durch den Stößel vorzugsweise vollständig ausgefüllt ist. Unter dem Dichtbereich wird ein Bereich im Dichtsitz der Düse verstanden, der im Inneren der Düse (Düsenkammer) unmittelbar an die Düsenöffnung angrenzt. Im Dichtbereich können der Stößel und die Düse dichtend zusammenwirken, insbesondere indem der Stößel gegen den Dichtsitz gepresst wird.The “adjust position” is here preferably characterized or defined in that the ejection element, in particular the ejection tip of the plunger, is pressed into the nozzle with a certain force. The force exerted by the plunger on the nozzle in the adjust position is referred to as the push-in force or the sealing force. In the adjust position, the plunger can be pressed into a sealing seat of the nozzle in such a way that a sealing area of the nozzle is preferably completely filled by the plunger. The sealing area is understood to mean an area in the sealing seat of the nozzle which is directly adjacent to the nozzle opening in the interior of the nozzle (nozzle chamber). In the sealing area, the plunger and the nozzle can interact in a sealing manner, in particular by pressing the plunger against the sealing seat.
Bevorzugt wird in der Adjust-Position durch den Stößel eine bestimmte Dichtkraft gegenüber der Düse aufgebaut. Die Dichtkraft des Ausstoßelements kann beispielsweise wenigstens 1 mN, vorzugsweise wenigstens 1 N, bevorzugt wenigstens 10 N betragen.In the adjust position, the tappet preferably builds up a certain sealing force with respect to the nozzle. The sealing force of the ejection element can be at least 1 mN, preferably at least 1 N, preferably at least 10 N, for example.
In einem bevorzugten Verfahren zur Steuerung des Dosiersystems kann der zweite Aktor, insbesondere das Dehnstoffelement, daher so gesteuert und/oder geregelt werden, dass das Ausstoßelement während des definierten Betriebszustands des Dosiersystems in die Adjust-Position des Ausstoßelements gebracht wird. Bevorzugt kann das Dehnstoffelement so gesteuert und/oder geregelt werden, dass die Ausstoßspitze des Ausstoßelements bei einer im Betrieb maximal vorgesehenen Auslenkung des Piezoaktors mit einer bestimmten Dichtkraft gegen die Düse gedrückt wird.In a preferred method for controlling the metering system, the second actuator, in particular the expansion element, can therefore be controlled and / or regulated in such a way that the ejection element is brought into the adjust position of the ejection element during the defined operating state of the metering system. The expansion element can preferably be controlled and / or regulated in such a way that the ejection tip of the ejection element is pressed against the nozzle with a certain sealing force when the piezo actuator is maximally provided during operation.
Vorteilhafterweise kann über die Adjust-Position des Ausstoßelements ein „(hydraulisch) wirksamer Hub“ des Stößels präzise eingestellt und gehalten werden, wobei die Dosiergenauigkeit des Dosiersystems weiter verbessert werden kann. Dies wird nachfolgend erläutert.A “(hydraulically) effective stroke” of the plunger can advantageously be precisely set and maintained via the adjust position of the ejector element, the metering accuracy of the metering system being able to be further improved. This is explained below.
In einem bevorzugten Verfahren zur Steuerung des Dosiersystems kann die Auslenkung des (ersten) Aktors (Aktorauslenkung), insbesondere die an den Piezoaktor angelegte elektrische Steuerspannung, während eines jeweiligen Ausstoßvorgangs einerseits dazu genutzt werden, um den Stößel ausgehend von einer Ausstoß-Anfangsposition bis zum Erreichen eines „Vollkontakts“ in Richtung der Düse zu bewegen. Der Vollkontakt ist darüber definiert, dass die Ausstoßspitze des Stößels, vorzugsweise vollständig umlaufend, in Wirkkontakt mit der Düse tritt. Insbesondere kann der Stößel bei Vollkontakt dem Dichtsitz der Düse so anliegen, dass die Düsenöffnung verschlossen ist.In a preferred method for controlling the metering system, the deflection of the (first) actuator (actuator deflection), in particular the electrical control voltage applied to the piezo actuator, during a respective ejection process can be used on the one hand to move the plunger from an ejection start position until it is reached a "full contact" in the direction of the nozzle. The full contact is defined by the fact that the ejection tip of the plunger comes into operative contact with the nozzle, preferably completely circumferentially. In particular, when there is full contact, the plunger can rest against the sealing seat of the nozzle in such a way that the nozzle opening is closed.
Die Hubbewegung (die zurückgelegte Strecke), die der Stößel bei einem jeweiligen Ausstoßvorgang bis zum Vollkontakt in Relation zur Düse ausführt, wird als „(hydraulisch) wirksamer Hub“ des Stößels bezeichnet. Der (hydraulisch) wirksame Hub ist also ein Anteil einer im Betrieb maximal vorgesehenen Aktorauslenkung bzw. ein Anteil einer im Betrieb maximal an den Piezoaktor angelegten elektrischen Steuerspannung, der für das Ausstoßen von Dosierstoff nutzbar ist und daher einen Einfluss auf die Dosierstoffabgabe hat.The stroke movement (the distance covered) that the plunger executes during each ejection process up to full contact in relation to the nozzle is called the “(hydraulically) effective stroke” of the plunger. The (hydraulically) effective stroke is therefore a portion of a maximum actuator deflection provided during operation or a portion of a maximum electrical control voltage applied to the piezo actuator during operation, which can be used for ejecting the dosing substance and therefore has an influence on the dosing substance delivery.
Andererseits kann die Aktorauslenkung zumindest teilweise auch dazu genutzt werden, um den Stößel über den Vollkontakt hinaus weiter in Richtung der Düse zu drücken. Dieser definierte Anteil der gesamten Aktorauslenkung bzw. der Anteil der maximal vorgesehenen elektrischen Steuerspannung des Piezoaktors, durch den der Stößel ausgehend vom Vollkontakt um ein bestimmtes Mindestmaß weiter in Richtung der Düse gedrückt wird, wird als Dichtstellungs-Aktorauslenkung bezeichnet, wie später noch erläutert wird. Vorzugsweise kann mittels der Dichtstellungs-Aktorauslenkung eine bestimmte Dichtkraft des Stößels aufgebaut werden.On the other hand, the actuator deflection can also be used at least partially to push the plunger further in the direction of the nozzle beyond full contact. This defined portion of the total actuator deflection or the portion of the maximum provided electrical control voltage of the piezo actuator by which the plunger is pushed a certain minimum further in the direction of the nozzle starting from full contact is referred to as the sealing position actuator deflection, as will be explained later. A specific sealing force of the plunger can preferably be built up by means of the sealing position actuator deflection.
Bei einem „idealen“ sehr steifen Dosiersystem kann eine Position des Stößels nach dem Vollkontakt bei einer fortschreitenden Aktorauslenkung bzw. bei einer weiteren Erhöhung der an den Piezoaktor angelegten elektrischen Steuerspannung (Piezoaktor-Steuerspannung) überwiegend konstant bleiben. D. h., der Stößel wird mittels der Dichtstellungs-Aktorauslenkung mit einer zunehmenden Kraft gegen die Düse gedrückt, wobei eine bestimmte Dichtkraft des Stößels aufgebaut werden kann.With an "ideal" very stiff metering system, a position of the plunger after full contact can remain largely constant with a progressive actuator deflection or with a further increase in the electrical control voltage applied to the piezo actuator (piezo actuator control voltage). That is, the plunger is pressed against the nozzle with an increasing force by means of the sealing position actuator deflection, whereby a certain sealing force of the plunger can be built up.
Je nach Ausgestaltung des Dosiersystems, z. B. abhängig von der Beschaffenheit der verwendeten Materialien, kann die Dichtstellungs-Aktorauslenkung aber auch zu einer geringfügigen elastischen Verformung von Komponenten des Dosiersystems führen. Beispielsweise können der Düseneinsatz, der Stößel, Verbindungselemente der Fluidikeinheit wie z. B. der Hebel, oder eine Kombination dieser oder weiterer Komponenten elastisch verformt werden. Entsprechend kann sich bei einem „idealen“ nicht vollständig steifen Dosiersystem eine Position des Stößels nach dem Vollkontakt aufgrund der fortschreitenden Aktorauslenkung bzw. durch die Erhöhung der Piezoaktor-Steuerspannung noch geringfügig verändern, insbesondere im Nano- oder Mikrometerbereich. Allerdings kann auch bei einem derartigen nicht-steifen Dosiersystem vorzugsweise ein Großteil der Dichtstellungs-Aktorauslenkung auf den Stößel übertragen und zur Einstellung einer Dichtkraft des Stößels genutzt werden.Depending on the configuration of the dosing system, e.g. B. depending on the nature of the materials used, the sealing position actuator deflection can also lead to a slight elastic deformation of components of the dosing system. For example, the nozzle insert, the plunger, connecting elements of the fluidic unit such. B. the lever, or a combination of these or other components are elastically deformed. Correspondingly, in an “ideal” metering system that is not completely rigid, a position of the plunger can change slightly after full contact due to the progressive actuator deflection or the increase in the piezo actuator control voltage, in particular in the nano or micrometer range. However, even with such a non-rigid metering system, a large part of the sealing position actuator deflection can preferably be transmitted to the tappet and used to set a sealing force of the tappet.
Ungeachtet der konkreten Ausgestaltung des Dosiersystems kann also eine im Betrieb maximal vorgesehene Auslenkung des Aktors, insbesondere eine im Betrieb maximal an die Piezoaktor angelegte Steuerspannung, anteilig zwischen einem (hydraulisch) wirksamen Hub des Stößels einerseits und dem Aufbau einer Dichtkraft des Stößels andererseits „verteilt“ werden, insbesondere mittels einer entsprechenden Ansteuerung des Dehnstoffelements.Regardless of the specific configuration of the dosing system, a maximum deflection of the actuator that is provided during operation, in particular a maximum control voltage applied to the piezo actuator during operation, can be "distributed" proportionally between a (hydraulically) effective stroke of the tappet on the one hand and the build-up of a sealing force of the tappet on the other. are, in particular by means of a corresponding control of the expansion element.
Vorteilhafterweise kann die Adjust-Position des Stößels durch ein Zusammenspiel von Dehnstoffelement und (erstem) Aktor so eingestellt werden, dass der Stößel in der Adjust-Position eine bestimmte Dichtkraft auf die Düse ausübt. Dabei gilt: je größer die Dichtkraft des Stößels in der Adjust-Position ist, desto größer ist auch der Anteil der dafür benötigten Dichtstellungs-Aktorauslenkung an der im Betrieb maximal vorgesehenen Aktorauslenkung bzw. an der maximal vorgesehenen Piezoaktor-Steuerspannung. Entsprechend wird sich der Anteil der Aktorauslenkung bzw. der Piezoaktor-Steuerspannung, der für den (hydraulisch) wirksamen Hub des Stößels nutzbar ist, verringern. Daher kann über die Einstellung der Adjust-Position des Stößels, insbesondere über die Einstellung der Dichtkraft, der (hydraulisch) wirksame Hub des Stößels präzise eingestellt werden. Vorteilhafterweise kann dadurch eine weiterhin verbesserte Dosiergenauigkeit erreicht werden.The adjust position of the plunger can advantageously be set through an interaction of the expansion element and (first) actuator in such a way that the plunger exerts a certain sealing force on the nozzle in the adjust position. The following applies: the greater the sealing force of the plunger in the adjust position, the greater the proportion of the sealing position actuator deflection required for this in the maximum actuator deflection provided during operation or in the maximum intended piezo actuator control voltage. The portion of the actuator deflection or the piezo actuator control voltage that can be used for the (hydraulically) effective stroke of the tappet will be reduced accordingly. The (hydraulically) effective stroke of the tappet can therefore be set precisely by setting the adjust position of the tappet, in particular by setting the sealing force. A further improved metering accuracy can advantageously be achieved in this way.
Um das Ausstoßelement in die Adjust-Position bewegen zu können, umfasst das Dosiersystem, wie erwähnt, vorzugsweise zumindest eine dem zweiten Aktor, insbesondere dem Dehnstoffelement, zugeordnete Heizeinrichtung und/oder zumindest eine dem zweiten Aktor, insbesondere dem Dehnstoffelement, zugeordnete Kühleinrichtung. Besonders bevorzugt umfasst das Dosiersystem weiterhin eine Steuereinheit zum Steuern und/oder Regeln der Heizeinrichtung und/oder der Kühleinrichtung.In order to be able to move the ejection element into the adjust position, the dosing system, as mentioned, preferably comprises at least one heating device assigned to the second actuator, in particular the expansion element, and / or at least one cooling device assigned to the second actuator, in particular the expansion element. The dosing system particularly preferably further comprises a control unit for controlling and / or regulating the heating device and / or the cooling device.
Die Heizeinrichtung kann vorzugsweise elektrische Energie zum Beheizen des Dehnstoffs bzw. des Dehnstoffelements nutzen. Beispielsweise könnte zumindest ein Widerstandsheizelement in Form einer Heizfolie auf einer äußeren Oberfläche (Außenseite) des Dehnstoffelements angeordnet sein, z. B. auf einem Gehäuse des Dehnstoffelements. Alternativ oder zusätzlich könnte zumindest ein Widerstandsheizelement im Dehnstoff selber angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Heizeinrichtung dazu ausgebildet, den gesamten Dehnstoff des Dehnstoffelements gleichmäßig auf eine bestimmte Soll-Temperatur zu erwärmen.The heating device can preferably use electrical energy for heating the expansion material or the expansion material element. For example, at least one resistance heating element in the form of a heating film could be arranged on an outer surface (outside) of the expansion element, e.g. B. on a housing of the expansion element. Alternatively or additionally, at least one resistance heating element could be arranged in the expansion material itself. The heating device is preferably designed to uniformly heat all of the expansion material of the expansion element to a specific target temperature.
Die Kühleinrichtung kann vorzugsweise zumindest ein gasförmiges und/oder flüssiges Fluid zum Kühlen des Dehnstoffelements bzw. des Dehnstoffs umfassen. Bevorzugt kann die Außenseite des Dehnstoffelements zumindest bereichsweise mit einem Kühlmedium beaufschlagt werden, z. B. indem ein Gehäuse des Dehnstoffelements direkt mit Kühlmedium angeströmt bzw. angeblasen wird. Die Kühleinrichtung kann dazu im Dosiersystem einen das Dehnstoffelement umgebenden und mit Kühlmedium flutbaren Hohlraum (Kühlbereich) umfassen. Weiterhin kann die Kühleinrichtung strömungslenkende Elemente umfassen, um gezielt einzelne Teilbereiche des Dehnstoffelements mit Kühlfluid zu beaufschlagen. Allerdings kann auch im Wesentlichen die gesamte Außenseite des Dehnstoffelements aktiv gekühlt werden. Die Kühleinrichtung kann weiterhin Zu- und Abführeinrichtungen umfassen, um das Kühlmedium in das Dosiersystem, insbesondere in den Kühlbereich, einzubringen bzw. wieder daraus zu entfernen.The cooling device can preferably comprise at least one gaseous and / or liquid fluid for cooling the expansion element or the expansion material. Preferably, the outside of the expansion element can be acted upon at least in some areas with a cooling medium, for. B. in that a housing of the expansion element is directly flown or blown with cooling medium. For this purpose, the cooling device in the metering system can comprise a cavity (cooling area) which surrounds the expansion element and can be flooded with cooling medium. Furthermore, the cooling device can comprise flow-directing elements in order to specifically apply cooling fluid to individual subregions of the expansion element. However, essentially the entire outside of the expansion element can also be actively cooled. The cooling device can furthermore comprise feed and discharge devices in order to introduce the cooling medium into the metering system, in particular into the cooling area, or to remove it again.
Vorzugsweise ist das Kühlmedium ausgebildet, um das Dehnstoffelement möglichst schnell auf einen bestimmten Temperaturwert abkühlen zu können. Dieser Temperaturwert kann auch oberhalb einer Raumtemperatur und/oder oberhalb einer „parasitären“ Erwärmung des Dehnstoffelements durch den piezoelektrischen Aktuator liegen. Ein solcher Temperaturwert ist aber vorzugsweise unterhalb von 45 °C, bevorzugt unterhalb von 30 °C, besonders bevorzugt unterhalb von 18 °C angesiedelt.The cooling medium is preferably designed in order to be able to cool the expansion element as quickly as possible to a certain temperature value. This temperature value can also be above room temperature and / or above a “parasitic” heating of the expansion element by the piezoelectric actuator. However, such a temperature value is preferably below 45.degree. C., preferably below 30.degree. C., particularly preferably below 18.degree.
Zumindest in den Fällen, in denen der Temperaturwert oberhalb der Raumtemperatur liegt, kann als Kühlmedium auch Luft, insbesondere komprimierte Luft verwendet werden. Ungekühlte komprimierte Raumluft hat den Vorteil, dass sie vergleichsweise kostengünstig und mit einem ausreichend großen Volumenstrom bereitgestellt werden kann.At least in those cases in which the temperature value is above room temperature, air, in particular compressed air, can also be used as the cooling medium. Uncooled compressed room air has the advantage that it can be provided comparatively inexpensively and with a sufficiently large volume flow.
Alternativ kann als Kühlmedium auch abgekühlte Luft verwendet werden, insbesondere gekühlte komprimierte Luft. Beispielsweise kann das Kühlmedium mittels einer der Kühleinrichtung zugeordneten Kältequelle, z. B. eine Kältemaschine und/oder ein Wirbelrohr, auf eine bestimmte Soll-Temperatur „aktiv“ abgekühlt werden. Das Kühlmedium könnte dann dazu ausgebildet sein, um das Dehnstoffelement auf eine Temperatur unterhalb einer Umgebungstemperatur des Dosiersystems abzukühlen.Alternatively, cooled air can also be used as the cooling medium, in particular cooled compressed air. For example, the cooling medium by means of a cold source assigned to the cooling device, e.g. B. a refrigeration machine and / or a vortex tube, can be "actively" cooled to a certain target temperature. The cooling medium could then be designed to cool the expansion element to a temperature below an ambient temperature of the metering system.
Die Kühlleistung der dem Dehnstoffelement zugeordneten Kühleinrichtung ist vorzugsweise separat steuerbar und/oder regelbar. Eine separate Ansteuerbarkeit ist besonders dann sinnvoll, wenn die Kühleinrichtung des Dosiersystems auch zur Temperierung von anderen Komponenten des Dosiersystems vorgesehen ist. Beispielsweise könnte die Kühleinrichtung auch zur Temperierung des Aktors, insbesondere des Piezoaktors, ausgebildet sein, um diesen im Betrieb auf eine Arbeitstemperatur abzukühlen. In diesem Fall kann die dem Dehnstoffelement zugeordnete Kühleinrichtung als separate Teil-Kühleinrichtung einer gemeinsam genutzten Gesamt-Kühleinrichtung des Dosiersystems ausgebildet sein. Entsprechend kann eine weitere Teil-Kühleinrichtung dem Aktor zugeordnet sein. Vorzugsweise kann die Gesamt-Kühleinrichtung dann zwei separat steuerbare Proportionalventile umfassen, um das Dehnstoffelement bzw. den Aktor individuell mit Kühlfluid zu versorgen.The cooling capacity of the cooling device assigned to the expansion element can preferably be controlled and / or regulated separately. A separate controllability is particularly useful when the cooling device of the metering system is also provided for temperature control of other components of the metering system. For example, the cooling device could also be designed to control the temperature of the actuator, in particular the piezo actuator, in order to cool it down to a working temperature during operation. In this case, the cooling device assigned to the expansion element can be designed as a separate partial cooling device of a jointly used overall cooling device of the metering system. A further partial cooling device can accordingly be assigned to the actuator. The overall cooling device can then preferably comprise two separately controllable proportional valves in order to individually supply the expansion element or the actuator with cooling fluid.
Bevorzugt sind die dem Dehnstoffelement zugeordnete Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung separat ansteuerbar ausgebildet. Dadurch kann weitestgehend eine thermische Entkopplung des Dehnstoffelements von anderen Komponenten des Dosiersystems erreicht werden. Besonders bevorzugt können die Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung auch gleichzeitig betrieben werden. Dadurch kann eine bestimmte Soll-Temperatur des Dehnstoffelements besonders zeiteffizient eingestellt werden, wobei ein Überschießen der Temperatur verhindert werden kann. Zusätzlich kann ein geringfügiges, kontrolliertes „gegeneinander Arbeiten“ von Heizeinrichtung und Kühleinrichtung zu einer erhöhten „Steifigkeit“ bzw. Konstanz der Temperatur des Dehnstoffelements beitragen, z. B. gegenüber äußeren Störeinflüssen.The cooling device assigned to the expansion element and the heating device are preferably designed to be separately controllable. As a result, a thermal decoupling of the expansion element from other components of the metering system can be achieved as far as possible. The cooling device and the heating device can particularly preferably also be operated simultaneously. As a result, a certain setpoint temperature of the expansion element can be set in a particularly time-efficient manner, with an overshooting of the temperature being prevented. In addition, a slight, controlled “working against one another” of the heating device and cooling device can contribute to increased “rigidity” or constancy of the temperature of the expansion element, e.g. B. against external interference.
Zur Steuerung und/oder Regelung der Heizeinrichtung und/oder der Kühleinrichtung umfasst das Dosiersystem vorzugsweise zumindest eine Steuer- bzw. Regeleinheit. Das Dosiersystem kann einerseits mit einer externen Steuer- bzw. Regeleinheit gekoppelt sein, z. B. einer zentralen Steuereinheit zur separaten Ansteuerung einer Mehrzahl von Dosiersystemen. Eine solche zentrale Steuer- bzw. Regeleinheit könnte weitestgehend softwaremäßig realisiert sein, vorzugsweise in Form einer Rechnereinheit mit geeigneter Software. Die Rechnereinheit kann beispielsweise einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen.For controlling and / or regulating the heating device and / or the cooling device the dosing system preferably has at least one control or regulating unit. The metering system can on the one hand be coupled to an external control or regulation unit, e.g. B. a central control unit for separate control of a plurality of metering systems. Such a central control or regulating unit could largely be implemented in terms of software, preferably in the form of a computer unit with suitable software. The computer unit can have, for example, one or more cooperating microprocessors or the like.
Allerdings kann dem Dosiersystem auch eine separate „dosiersystemeigene“ Steuereinheit zugeordnet sein. Diese kann z. B. mittels einer Platine im Inneren des Gehäuses realisiert sein. Die „dosiersystemeigene“ Steuereinheit kann einerseits dazu ausgebildet sein, um den gesamten Dosierprozess eigenständig zu steuern. Dann könnte auf eine zentrale Steuer- bzw. Regeleinheit verzichtet werden.However, the dosing system can also be assigned a separate "dosing system-specific" control unit. This can e.g. B. be realized by means of a circuit board inside the housing. The “dosing system's own” control unit can on the one hand be designed to independently control the entire dosing process. A central control or regulation unit could then be dispensed with.
Andererseits kann die „dosiersystemeigene“ Steuereinheit auch dazu ausgebildet sein, um nur einzelne Prozesse des Dosiervorgangs zu steuern. Vorzugsweise kann die „dosiersystemeigene“ Steuereinheit dann als Teil-Steuereinheit einer zentralen Steuereinheit ausgebildet und signaltechnisch mit dieser gekoppelt sein. Beispielsweise kann die „dosiersystemeigene“ Steuereinheit zur Steuerung und/oder Regelung des zweiten Aktors, insbesondere des Dehnstoffelements, vorgesehen sein, also insbesondere zur Durchführung von Justageprozessen und für thermische und/oder mechanische Ausgleichsfunktionen. Demgegenüber kann die zentrale Steuereinheit die übrigen Prozesse des Dosiervorgangs steuern, z. B. die elektrische Beschaltung des Piezoaktors. Nachfolgend wird, ohne eine Beschränkung darauf, eine „dosiersystemeigene“ Steuereinheit gemäß der zweiten Variante beschrieben. Die Steuereinheit kann auch mehrere Teil-Steuereinheiten umfassen, die dann gemeinsam die Steuereinheit ausbilden können.On the other hand, the “dosing system's own” control unit can also be designed to control only individual processes of the dosing process. The “dosing-system-specific” control unit can then preferably be designed as a control unit part of a central control unit and coupled to it for signaling purposes. For example, the “dosing system's own” control unit can be provided for controlling and / or regulating the second actuator, in particular the expansion element, that is to say in particular for carrying out adjustment processes and for thermal and / or mechanical compensation functions. In contrast, the central control unit can control the remaining processes of the dosing process, e.g. B. the electrical wiring of the piezo actuator. In the following, a “dosing-system-specific” control unit according to the second variant is described without being restricted to this. The control unit can also comprise a plurality of sub-control units, which can then jointly form the control unit.
Der Begriff der Steuerung wird im Rahmen der Anmeldung als Synonym für eine Steuerung und/oder Regelung verwendet. Das bedeutet, auch wenn von einer Steuerung gesprochen wird, kann die Steuerung zumindest einen Regelungsprozess umfassen. Bei einer Regelung wird im Allgemeinen eine Regelgröße (als Istwert) fortlaufend erfasst und mit einer Führungsgröße (als Sollwert) verglichen. Üblicherweise erfolgt die Regelung auf eine solche Art und Weise, dass eine Angleichung der Regelgröße an die Führungsgröße erfolgt. Das bedeutet, dass sich die Regelgröße (Istwert) im Wirkungsweg des Regelkreises fortlaufend selbst beeinflusst.The term control is used in the context of the application as a synonym for control and / or regulation. This means that even when one speaks of a controller, the controller can comprise at least one regulating process. In the case of regulation, a controlled variable (as an actual value) is generally recorded continuously and compared with a reference variable (as a setpoint). The regulation is usually carried out in such a way that the controlled variable is matched to the reference variable. This means that the controlled variable (actual value) continuously influences itself in the action path of the control loop.
In einem bevorzugten Verfahren zur Steuerung des Dosiersystems kann bei der Steuerung und/oder Regelung des zweiten Aktors, vorzugsweise zur Steuerung und/oder Regelung des Dehnstoffelements, bevorzugt zur Einstellung der Temperatur des Dehnstoffelements, eine Anzahl von Betriebsparametern des Dosiersystems Berücksichtigung finden. Insbesondere zum Einstellen, d. h. zum Ermitteln und/oder Erreichen, der Adjust-Position kann zumindest einer der folgenden Betriebsparameter berücksichtigt werden:
- Ein erster Betriebsparameter kann eine Temperatur des zweiten Aktors, insbesondere eine Temperatur des Dehnstoffelements sein, besonders bevorzugt eine Temperatur des Dehnstoffs bzw. eines Expansionskörpers des Dehnstoffelements. Der Expansionskörper und das Dehnstoffelement werden später noch näher erläutert. Auch eine Temperatur des (ersten) Aktors und/oder eine Temperatur des Gehäuses in einem oder mehreren unterschiedlichen Gehäusebereichen können als Betriebsparameter berücksichtigt werden.
- A first operating parameter can be a temperature of the second actuator, in particular a temperature of the expansion material element, particularly preferably a temperature of the expansion material or an expansion body of the expansion material element. The expansion body and the expansion element will be explained in more detail later. A temperature of the (first) actuator and / or a temperature of the housing in one or more different housing areas can also be taken into account as operating parameters.
Zur Ermittlung der Temperatur sowie weiterer Betriebsparameter kann das Dosiersystem eine mit der Steuereinheit gekoppelte Sensoranordnung mit einer Anzahl von Sensoren umfassen. Die Messwerte der jeweiligen Sensoren können der Steuereinheit als (Mess-)Signale zugeführt werden.To determine the temperature and other operating parameters, the metering system can comprise a sensor arrangement coupled to the control unit and having a number of sensors. The measured values of the respective sensors can be fed to the control unit as (measurement) signals.
Vorzugsweise umfasst die Sensoranordnung zumindest einen dem zweiten Aktor, insbesondere dem Dehnstoffelement, zugeordneten Temperatursensor, vorzugsweise zur Temperaturbestimmung des Dehnstoffs. Bevorzugt kann das Dosiersystem zusätzlich zumindest (jeweils) einen dem (ersten) Aktor zugeordneten Temperatursensor und/oder einen dem Gehäuse zugeordneten Temperatursensor umfassen.The sensor arrangement preferably comprises at least one temperature sensor assigned to the second actuator, in particular the expansion material element, preferably for determining the temperature of the expansion material. Preferably, the metering system can additionally comprise at least (each) one temperature sensor assigned to the (first) actuator and / or one temperature sensor assigned to the housing.
Ein weiterer Betriebsparameter, der in die Steuerung des Dehnstoffelements mit einbezogen werden kann, ist eine Position des Ausstoßelements im Dosiersystem. Bevorzugt kann die Position des Ausstoßelements über eine Position eines mit dem Ausstoßelement gekoppelten Hebels (als Teil des Bewegungsmechanismus) bestimmt werden.Another operating parameter that can be included in the control of the expansion element is the position of the ejection element in the dosing system. The position of the ejection element can preferably be determined via a position of a lever coupled to the ejection element (as part of the movement mechanism).
Zur Erfassung dieses Betriebsparameters umfasst die Sensoranordnung vorzugsweise wenigstens einen Positionssensor zur Bestimmung einer Position des Ausstoßelements. Ein solcher Positionssensor kann z. B. mittels eines Hall-Sensors realisiert sein. To detect this operating parameter, the sensor arrangement preferably comprises at least one position sensor for determining a position of the ejection element. Such a position sensor can, for. B. be realized by means of a Hall sensor.
Vorzugsweise kann mittels der (Mess-)Signale des Hall-Sensors auch eine Bewegung des Stößels berechnet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Sensoranordnung zumindest einen Bewegungssensor zur Bestimmung einer Bewegung des Ausstoßelements umfassen. Ein Bewegungssensor kann z. B. mittels eines Beschleunigungssensors realisiert sein. Vorzugsweise kann mittels des Bewegungs- und/oder Positionssensors eine Bewegung bzw. Position des Stößels in Bezug auf die Position des Sensors ermittelt werden.A movement of the plunger can preferably also be calculated using the (measurement) signals of the Hall sensor. Alternatively or in addition, the sensor arrangement can comprise at least one movement sensor for determining a movement of the ejection element. A motion sensor can z. B. be realized by means of an acceleration sensor. A movement or position of the plunger with respect to the position of the sensor can preferably be determined by means of the movement and / or position sensor.
Vorzugsweise kann wenigstens ein thermisch kompensierter Hall-Sensor so in einem Bereich des Gehäuses angeordnet sein, dass der Sensor mit einem Magneten im Bereich des Stößels und/oder im Bereich des Hebels zusammenwirken kann, um eine Hubbewegung des Stößels (z. B. eine vertikale Wegmessung) bei einem jeweiligen Ausstoßvorgang und/oder bei einer jeweiligen Rückzugsbewegung zu erfassen. Bevorzugt kann der Hall-Sensor auf einer gedachten vertikalen Achse mit dem Stößel (entsprechend dessen Längserstreckung) angeordnet sein. Vorzugsweise können mittels des Hall-Sensors Messdaten über den (hydraulisch) wirksamen Hub des Stößels gewonnen werden.At least one thermally compensated Hall sensor can preferably be arranged in an area of the housing in such a way that the sensor can interact with a magnet in the area of the plunger and / or in the area of the lever in order to achieve a lifting movement of the plunger (e.g. a vertical Distance measurement) with a respective ejection process and / or with a respective retraction movement. The Hall sensor can preferably be arranged on an imaginary vertical axis with the plunger (corresponding to its longitudinal extension). Preferably, the Hall sensor can be used to obtain measurement data on the (hydraulically) effective stroke of the ram.
Ein weiterer Betriebsparameter kann eine Aktorstellung des Aktors sein, z. B. eine jeweilige Auslenkung des Aktors. Vorzugsweise kann eine an den Piezoaktor angelegte elektrische Steuerspannung der Betriebsparameter sein.Another operating parameter can be an actuator position of the actuator, e.g. B. a respective deflection of the actuator. An electrical control voltage applied to the piezo actuator can preferably be the operating parameter.
Ein weiterer Betriebsparameter kann eine Menge und/oder ein Gewicht von Dosierstoff sein, welcher Dosierstoff bei einem jeweiligen Ausstoßvorgang aus der Düse des Dosiersystems abzugeben ist bzw. abgegeben werden soll. Ein solcher die Menge und/oder das Gewicht von abgegebenem Dosierstoff repräsentierender Messwert kann z. B. in einem Wägeprozess bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein „dosiervolumen-abhängiges“ Signal des abgegebenen Dosierstoffs ermittelt werden, z. B. über eine optische Auswerteeinheit der Sensoranordnung. Vorzugsweise kann auch ein Signal, z. B. ein Messwert, eines Strömungssensors für Dosierstoff als Betriebsparameter genutzt werden. Der Messwert kann z. B. mittels eines Volumenstrommessers im Bereich der Düsenöffnung ermittelt werden.A further operating parameter can be an amount and / or a weight of metering substance, which metering substance is to be dispensed or is to be dispensed during a respective ejection process from the nozzle of the dispensing system. Such a measured value representing the amount and / or weight of dispensed dosing substance can be e.g. B. be determined in a weighing process. As an alternative or in addition, a "dosing volume-dependent" signal of the dispensed dosing substance can also be determined, e.g. B. via an optical evaluation unit of the sensor arrangement. Preferably, a signal, e.g. B. a measured value of a flow sensor for metering substance can be used as an operating parameter. The measured value can e.g. B. be determined by means of a volume flow meter in the area of the nozzle opening.
Ebenfalls kann eine im geschlossenen Zustand des Dosiersystems anliegende Dichtkraft des Ausstoßelements einen weiteren Betriebsparameter darstellen. Die entsprechenden Messwerte können mittels eines Kraftsensors im Stößel oder in der Düse oder alternativ mittels eines Kraftsensors zur Bestimmung einer Auflagekraft des ersten oder des zweiten Aktors gewonnen werden.A sealing force of the ejection element that is present in the closed state of the metering system can also represent a further operating parameter. The corresponding measured values can be obtained by means of a force sensor in the plunger or in the nozzle or, alternatively, by means of a force sensor for determining a bearing force of the first or the second actuator.
Als weiterer Betriebsparameter können Kalibierdaten des Dosiersystems herangezogen werden, wobei die Kalibrierdaten vorzugsweise im Dosiersystem hinterlegt sind und von der jeweiligen Steuereinheit ausgelesen werden können.Calibration data of the dosing system can be used as further operating parameters, the calibration data preferably being stored in the dosing system and being able to be read out by the respective control unit.
Die Kalibrierdaten können insbesondere den Hall-Sensor und dessen Signale normieren und eine Übertragungsfunktion einer elektrischen Steuerspannung des Piezoaktors im Verhältnis zu einer jeweiligen Stößelposition in einem Arbeitspunkt normieren, d. h. in einem adjustierten Zustand des Hebelsystems.The calibration data can in particular normalize the Hall sensor and its signals and normalize a transfer function of an electrical control voltage of the piezo actuator in relation to a respective plunger position at an operating point, i.e. H. in an adjusted state of the lever system.
Weiterhin können Kalibrierdaten unterschiedliche Heizzonen des Dosiersystems betreffen. Beispielsweise kann eine erste Heizzone einer Dosierstoff-Kartusche zugeordnet sein, eine zweite Heizzone der Fluidikeinheit zugeordnet sein, z. B. einem Zuführkanal, und eine dritte Heizzone der Düse zugeordnet sein, um den Dosierstoff in der jeweiligen Heizzone, vorzugsweise unterschiedlich, zu temperieren.Furthermore, calibration data can relate to different heating zones of the dosing system. For example, a first heating zone can be assigned to a dosing substance cartridge, and a second heating zone can be assigned to the fluidics unit, e.g. B. a feed channel, and a third heating zone of the nozzle to be assigned to the metering substance in the respective heating zone, preferably differently to temperature.
Darüber hinaus können Kalibrierdaten einen Volumenstrom eines jeweiligen Proportionalventils in Relation zu einer Ansteuerspannung des Proportionalventils bei gegebenem Druck betreffen.In addition, calibration data can relate to a volume flow of a respective proportional valve in relation to a control voltage of the proportional valve at a given pressure.
Vorteilhafterweise kann die Steuerung des Dehnstoffelements so erfolgen, dass zumindest die wesentlichen, vorzugsweise alle, Betriebsparameter des Dosiersystems, die einen Einfluss auf die Stößelposition und/oder den (hydraulisch) wirksamen Hub des Stößels haben können, berücksichtigt werden. Dadurch kann das Dehnstoffelement gezielt so gesteuert werden, dass die Adjust-Position des Ausstoßelements im Betrieb besonders zuverlässig eingestellt werden kann. Durch das Einberechnen einer Mehrzahl von Betriebsparametern in die Steuerung kann eine weniger störanfällige bzw. robustere Ansteuerung erreicht werden, wobei die Dosiergenauigkeit weiter verbessern werden kann.The expansion element can advantageously be controlled in such a way that at least the essential, preferably all, operating parameters of the metering system that can have an influence on the tappet position and / or the (hydraulically) effective stroke of the tappet are taken into account. As a result, the expansion element can be controlled in a targeted manner such that the adjust position of the ejection element can be set particularly reliably during operation. By calculating a plurality of operating parameters in the control, a less failure-prone or more robust control can be achieved, and the metering accuracy can be further improved.
Um die Adjust-Position des Stößels möglichst exakt ermitteln und/oder erreichen zu können, kann vorzugsweise ein Justageprozess (Adjust-Prozess) mit einem mehrschrittigen Regelalgorithmus durchlaufen werden. Bevorzugt können die einzelnen Schritte des Regelalgorithmus von der Steuereinheit zumindest teilautomatisch, vorzugsweise vollautomatisch, abgearbeitet werden.In order to be able to determine and / or achieve the adjust position of the plunger as precisely as possible, an adjustment process (adjust process) with a multi-step control algorithm can preferably be run through. The individual steps of the control algorithm can preferably be processed by the control unit at least partially automatically, preferably fully automatically.
In einem ersten Schritt kann eine im Betrieb des Dosiersystems maximal vorgesehene Auslenkung des (ersten) Aktors eingestellt werden. Es kann also eine „Schließstellung“ des Dosierventils eingestellt werden, wobei die Ausstoßspitze des Stößels in Richtung der Düse bewegt wird. Bevorzugt ist während des gesamten Justageprozesses eine regelmäßige Dosierstoffabgabe aus der Düse nicht möglich, z. B. indem ein Trigger zum Auslösen des Dosiervorgangs vorübergehend blockiert wird.In a first step, a maximum deflection of the (first) actuator that is provided during operation of the metering system can be set. A “closed position” of the metering valve can therefore be set, whereby the ejection tip of the plunger is moved in the direction of the nozzle. Regular dispensing of dosing substance from the nozzle is preferably not possible during the entire adjustment process, e.g. B. by temporarily blocking a trigger to initiate the dispensing process.
In einem zweiten Schritt kann eine „Justierungs-Starttemperatur“ des zweiten Aktors, insbesondere des Dehnstoffelements, besonders bevorzugt des Dehnstoffs, eingestellt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Ausstoßspitze des Stößels zu diesem Zeitpunkt trotz des bereits expandierten Aktors (noch) keinen Kontakt zur Düse hat. Vorzugsweise kann das Dehnstoffelement dazu gekühlt werden. Die Justierungs-Starttemperatur kann beispielsweise einer Umgebungstemperatur des Dosiersystems entsprechen. Vorzugsweise kann die Justierungs-Starttemperatur unterhalb einer zu erwartenden (noch später definierten) „Adjust-Temperatur“ liegen.In a second step, an "adjustment start temperature" of the second actuator, in particular the expansion element, particularly preferably the expansion material, can be set. This ensures that the ejection tip of the plunger is not (yet) in contact with the nozzle at this point in time, despite the actuator that has already been expanded. For this purpose, the expansion element can preferably be cooled. The adjustment start temperature can for example correspond to an ambient temperature of the dosing system. The adjustment start temperature can preferably be below an expected (defined later) “Adjust temperature”.
In einem weiteren Schritt kann der zweite Aktor, insbesondere das Dehnstoffelement, besonders bevorzugt der Dehnstoff, ausgehend von der Justierungs-Starttemperatur so lange erwärmt werden, bis ein Vollkontakt zwischen der Ausstoßspitze des Stößels und der Düse erfolgt. Das bedeutet, das Dehnstoffelement wird über die Temperatur so weit ausgedehnt, dass der Stößel in Richtung der Düse geschoben wird und diese schließlich kontaktiert. Der Vollkontakt ist, wie gesagt, dann erreicht, wenn die Ausstoßspitze des Stößels im Wesentlichen vollumfänglich dem Dichtsitz der Düse anliegt, wobei die Düsenöffnung ringförmig abgedichtet wird.In a further step, the second actuator, in particular the expansion element, particularly preferably the expansion material, can be heated starting from the adjustment start temperature until there is full contact between the ejection tip of the plunger and the nozzle. This means that the expansion element is expanded so far over the temperature that the plunger is pushed in the direction of the nozzle and finally contacts it. As mentioned, full contact is achieved when the ejection tip of the plunger rests essentially over the entire circumference of the sealing seat of the nozzle, with the nozzle opening being sealed in a ring.
Um diesen Punkt des Vollkontakts zu bestimmen, kann vorzugsweise während der Erwärmung des Dehnstoffelements ein (Justierungs-)Verhältnis zwischen der jeweiligen Temperatur des Dehnstoffelements und der jeweils damit korrespondierenden Position des Ausstoßelements ermittelt werden. Vorzugsweise kann diese Positionsänderung des Stößels in Relation zur Temperaturänderung mittels der Steuereinheit bestimmt werden. Dazu kann die Steuereinheit z. B. auf den Temperatursensor des Dehnstoffelements und den Positionssensor des Hebels, der mit dem Stößel gekoppelt ist, zugreifen und entsprechende „Temperatur-Position“-Wertepaare bilden bzw. speichern. Bevorzugt können entsprechende „Temperatur-Position“-Wertepaare während des gesamten Justageprozesses gebildet werden. Wie zuvor erläutert, kann die Position des Stößels vorzugsweise in Bezug zum Hall-Sensor bestimmt werden, z. B. kann ein Abstand zum Hall-Sensor ermittelt werden.In order to determine this point of full contact, an (adjustment) ratio between the respective temperature of the expansion element and the corresponding position of the ejection element can preferably be determined during the heating of the expansion element. This change in position of the plunger can preferably be determined in relation to the temperature change by means of the control unit. For this purpose, the control unit can, for. B. access the temperature sensor of the expansion element and the position sensor of the lever, which is coupled to the plunger, and form or save corresponding “temperature-position” value pairs. Corresponding “temperature-position” value pairs can preferably be formed during the entire adjustment process. As previously explained, the position of the plunger can preferably be determined in relation to the Hall sensor, e.g. B. a distance to the Hall sensor can be determined.
Bis zum Erreichen des Vollkontakts stellt sich vorzugsweise ein überwiegend lineares (erstes) (Justierungs-)Verhältnis zwischen der Temperatur des Dehnstoffelements und der jeweiligen Stößelposition ein („ideales“ Dosiersystem). Das (Justierungs-)Verhältnis entspricht z. B. einer Steigung eines auf den o. g. Wertepaaren basierenden Funktionsgraphen. Nachdem der „Vollkontakt-Punkt“ erreicht ist, wird die Stößelspitze bei andauernder Erwärmung des Dehnstoffelements weiter gegen den Dichtsitz der Düse gedrückt.Until full contact is achieved, a predominantly linear (first) (adjustment) relationship is established between the temperature of the expansion element and the respective plunger position (“ideal” dosing system). The (adjustment) ratio corresponds e.g. B. a slope of one on the o. G. Function graphs based on value pairs. After the "full contact point" has been reached, the plunger tip is pressed further against the sealing seat of the nozzle as the expansion element continues to heat up.
Bei einem „idealen“ sehr steifen Dosiersystem führt eine weitere Expansion des Dehnstoffelements im Wesentlichen nur zum Aufbau bzw. zu einer Vergrößerung der Dichtkraft des Stößels gegenüber der Düse. Entsprechend wird sich die Position des Stößels gar nicht mehr bzw. nicht mehr messbar ändern, wobei die Temperatur des Dehnstoffs weiter ansteigt. Es stellt sich daher ein neues (zweites) überwiegend lineares (Justierungs-)Verhältnis ein, welches sich vorzugsweise vom ersten (Justierungs-)Verhältnis unterscheidet. Vorzugsweise kann das zweite (Justierungs-)Verhältnis einer Steigung entsprechen, welche sich von der Steigung des ersten (Justierungs-)Verhältnisses unterscheidet. In dem hier zunächst betrachteten „idealen“ sehr steifen Dosiersystem wäre die Steigung des zweiten (Justierungs-)Verhältnisses näherungsweise null. Die Stößelposition, an der sich der Übergang vom ersten zum zweiten (Justierungs-)Verhältnis vollzieht, entspricht einer Vollkontakt-Position des Stößels.In an “ideal” very stiff metering system, a further expansion of the expansion element essentially only leads to a build-up or to an increase in the sealing force of the plunger with respect to the nozzle. Correspondingly, the position of the plunger will no longer change or will no longer change measurably, with the temperature of the expansion material rising further. A new (second) predominantly linear (adjustment) ratio is therefore established, which preferably differs from the first (adjustment) ratio. The second (adjustment) ratio can preferably correspond to a slope which differs from the slope of the first (adjustment) ratio. In the “ideal” very stiff metering system considered here, the slope of the second (adjustment) ratio would be approximately zero. The ram position at which the transition from the first to the second (adjustment) ratio takes place corresponds to a full contact position of the ram.
Bei einem „idealen“ nicht-steifen Dosiersystem kann die weitere Expansion des Dehnstoffelements nach dem Vollkontakt zu einer elastischen Verformung von Komponenten des Dosiersystems führen. Entsprechend kann sich die Position des Stößels nach dem Vollkontakt noch geringfügig ändern. Allerdings ist die Positionsänderung des Stößels in Relation zum Temperaturanstieg des Dehnstoffelements vorzugsweise nur noch sehr gering, insbesondere geringer als vor dem Vollkontakt. Daher stellt sich auch bei einem „idealen“ nicht-steifen Dosiersystem ein neues (zweites) überwiegend lineares (Justierungs-)Verhältnis ein. In einem solchen „idealen“ nicht-steifen Dosiersystem kann eine dem zweiten (Justierungs-)Verhältnis zugeordnete Steigung deutlich geringer bzw. flacher sein, als eine dem ersten (Justierungs-)Verhältnis zugeordnete Steigung. Anders als bei einem „idealen“ sehr steifen Dosiersystem wäre die zweite Steigung hier selbstverständlich nicht näherungsweise null. Die Stößelposition, an der sich der Übergang vom ersten zum zweiten (Justierungs-)Verhältnis vollzieht, entspricht der Vollkontakt-Position des Stößels.With an “ideal” non-rigid dosing system, the further expansion of the expansion element after full contact can lead to an elastic deformation of components of the dosing system. Accordingly, the position of the plunger can still change slightly after full contact. However, the change in position of the plunger in relation to the increase in temperature of the expansion element is preferably only very small, in particular less than before full contact. Therefore, even with an "ideal" non-rigid dosing system, a new (second) predominantly linear (adjustment) relationship is established. In such an “ideal” non-rigid metering system, a slope assigned to the second (adjustment) ratio can be significantly smaller or flatter than a slope assigned to the first (adjustment) ratio. In contrast to an "ideal" very stiff metering system, the second slope would of course not be approximately zero here. The ram position at which the transition from the first to the second (adjustment) ratio takes place corresponds to the full contact position of the ram.
Bei einem „nicht-idealen“ bzw. „realen“ Dosiersystem kann es vorkommen, dass die Ausstoßspitze des Stößels zunächst einseitig bzw. nur bereichsweise an einen kegelförmigen Dichtsitz im Inneren der Düse anstößt. Das kann z. B. dann der Fall sein, wenn der Stößel nicht exakt mittig in der Düse bzw. nicht in einer Flucht mit der Düsenöffnung angeordnet ist. Ein solcher Kontakt, bei dem nur ein Bereich bzw. nur ein Teil der Stößelspitze in Kontakt mit der Düse tritt, wird als „Erstkontakt“ oder „Teilkontakt“ bezeichnet. Entsprechend kann bei einem „realen“ Dosiersystem die Erwärmung des Dehnstoffelements ausgehend von der Justierungs-Starttemperatur zunächst zu einem Teilkontakt führen, welcher von einem Vollkontakt zu unterscheiden ist.In the case of a “non-ideal” or “real” metering system, it can happen that the ejection tip of the plunger initially hits a cone-shaped sealing seat inside the nozzle on one side or only in some areas. This can e.g. B. be the case when the plunger is not arranged exactly in the center of the nozzle or not in alignment with the nozzle opening. Such a contact, in which only an area or only part of the plunger tip comes into contact with the nozzle, is referred to as “first contact” or “partial contact”. In a "real" dosing system, the heating of the expansion element can be based on the adjustment start temperature first lead to a partial contact, which is to be distinguished from a full contact.
Bis zum Teilkontakt kann sich ein überwiegend lineares (erstes) (Justierungs-)Verhältnis zwischen der Temperatur des Dehnstoffelements und der jeweiligen Stößelposition einstellen.A predominantly linear (first) (adjustment) relationship between the temperature of the expansion element and the respective plunger position can be established up to partial contact.
Im Rahmen des Justageprozesses kann das Dehnstoffelement so lange weiter erwärmt werden, bis der Stößel schließlich auf Grund der fortschreitenden Expansion des Dehnstoffelements in die Düse „rutscht“, wobei der oben beschriebene Vollkontakt zwischen Stößel und Düse erreicht ist. Dieser Vorgang des „Hineinrutschens“ des Stößels in die Düse wird auch als „Shift-Prozess“ bezeichnet. Bevorzugt können weiterhin „Temperatur-Position“-Wertepaare gebildet werden, wobei der jeweiligen Temperatur des Dehnstoffelements die jeweils damit korrespondierende Stößelposition zugeordnet wird.As part of the adjustment process, the expansion element can be heated further until the plunger finally "slips" into the nozzle due to the progressive expansion of the expansion element, with the above-described full contact between plunger and nozzle being achieved. This process of "sliding" the tappet into the nozzle is also known as the "shift process". In addition, “temperature-position” value pairs can preferably be formed, with the respective temperature of the expansion element being assigned the respective corresponding tappet position.
Da der Stößel nach dem Erstkontakt gegen einen gewissen Widerstand der Düse in die Vollkontakt-Position gedrückt wird, kann sich die Position des Stößels in Relation zum Temperaturanstieg des Dehnstoffelements langsamer ändern als vor dem Erstkontakt. Es stellt sich daher ein neues (zweites) überwiegend lineares (Justierungs-)Verhältnis ein, welches sich vorzugsweise vom ersten (Justierungs-)Verhältnis unterscheidet. Die Stößelposition, an der sich der Übergang vom ersten zum zweiten (Justierungs-)Verhältnis vollzieht, entspricht einer Erstkontakt-Position des Stößels. In einem optionalen Schritt kann die Erstkontakt-Position des Ausstoßelements ermittelt und ggf. gespeichert werden. Dieser Wert kann zusammen mit der Vollkontaktposition eine Aussage über die mechanische Güte des Systems liefern und daher im Rahmen einer Systemauswertung hilfreich sein. Weiterhin kann auch eine „Erstkontakt-Temperatur“ des Dehnstoffelements, also die Temperatur, die das Dehnstoffelement zum Zeitpunkt des Erstkontakts hat, ermittelt und ggf. gespeichert werden.Since the plunger is pressed into the full contact position after the first contact against a certain resistance of the nozzle, the position of the plunger can change more slowly in relation to the temperature increase of the expansion element than before the first contact. A new (second) predominantly linear (adjustment) ratio is therefore established, which preferably differs from the first (adjustment) ratio. The plunger position at which the transition from the first to the second (adjustment) ratio takes place corresponds to a first contact position of the plunger. In an optional step, the first contact position of the ejection element can be determined and possibly saved. Together with the full contact position, this value can provide information about the mechanical quality of the system and can therefore be helpful in the context of a system evaluation. Furthermore, a “first contact temperature” of the expansion element, that is to say the temperature that the expansion element has at the time of the first contact, can be determined and possibly saved.
Der Vollkontakt ist bei einem „realen“ Dosiersystem, analog zu einem „idealen“ Dosiersystem, darüber definiert, dass sich (erneut) eine Änderung des (Justierungs-)Verhältnisses einstellt. Bevorzugt kann das Dehnstoffelement nach dem Erstkontakt weiter erwärmt werden, bis sich ein neues (drittes) (Justierungs-)Verhältnis einstellt. Die Stößelposition, an der sich die Änderung vom zweiten zum dritten (Justierungs-)Verhältnisses vollzieht, entspricht bei einem „realen“ Dosiersystem der Vollkontakt-Position des Stößels.In a "real" dosing system, in a similar way to an "ideal" dosing system, full contact is defined by the fact that there is (again) a change in the (adjustment) ratio. The expansion element can preferably be heated further after the initial contact until a new (third) (adjustment) ratio is established. The ram position at which the change from the second to the third (adjustment) ratio takes place corresponds to the full contact position of the ram in a "real" dosing system.
Je nach konkreter Ausgestaltung des „realen“ Dosiersystems kann die Position des Stößels nach Erreichen des Vollkontakts bei andauernder Erwärmung des Dehnstoffelements im Wesentlichen konstant bleiben (sehr steifes System) oder sich noch sehr geringfügig ändern (nicht-steifes System), wie dies zuvor für die jeweiligen „idealen“ Systeme entsprechend erläutert wurde.Depending on the specific design of the "real" dosing system, the position of the plunger after reaching full contact can remain essentially constant (very stiff system) or change very slightly (non-stiff system), as was previously the case for the expansion element respective "ideal" systems was explained accordingly.
In einem nächsten Schritt kann dann die Vollkontakt-Position des Ausstoßelements ermittelt und ggf. gespeichert werden. Weiterhin kann auch eine „Vollkontakt-Temperatur“ des Dehnstoffelements, also die Temperatur, die das Dehnstoffelement zum Zeitpunkt des Vollkontakts hat, ermittelt und ggf. gespeichert werden.In a next step, the full contact position of the ejection element can then be determined and possibly saved. Furthermore, a “full contact temperature” of the expansion element, that is to say the temperature that the expansion element has at the time of full contact, can be determined and possibly saved.
In einem weiteren Schritt des Justageprozesses kann dann eine Adjust-Position des Ausstoßelements ermittelt und ggf. gespeichert werden, vorzugsweise auf Grundlage der zuvor ermittelten „Temperatur-Stößelposition“-Wertepaare. Weiterhin kann auch eine „Adjust-Temperatur“ des Dehnstoffelements, also die Temperatur die das Dehnstoffelement beim gewünschten Adjustpunkt hat, ermittelt und ggf. gespeichert werden. Die Adjust-Position ist, wie gesagt, ein empirisch ermittelter Wert, bei dem beispielsweise eine gerade genügend hohe Dichtkraft zwischen dem Stößel und der Düse aufgebaut ist, um eine sichere Abdichtung des Systems im Betrieb zu garantieren.In a further step of the adjustment process, an adjust position of the ejection element can then be determined and, if necessary, stored, preferably on the basis of the previously determined “temperature / plunger position” value pairs. Furthermore, an “adjust temperature” of the expansion element, that is to say the temperature that the expansion element has at the desired adjustment point, can be determined and possibly saved. As mentioned, the adjust position is an empirically determined value at which, for example, a sufficiently high sealing force is built up between the plunger and the nozzle to guarantee a reliable sealing of the system during operation.
Die Ermittlung der Adjust-Position und/oder der Adjust-Temperatur kann vorzugsweise zumindest in Abhängigkeit der Vollkontakt-Position des Ausstoßelements und/oder in Abhängigkeit der Vollkontakt-Temperatur des Dehnstoffelements erfolgen.The adjustment position and / or the adjust temperature can preferably be determined at least as a function of the full contact position of the ejection element and / or as a function of the full contact temperature of the expansion element.
Bevorzugt kann die Adjust-Position des Ausstoßelements zumindest in Abhängigkeit einer Vollkontakt-Position des Stößels und einer Steigung eines (Justierungs-)Verhältnisses ermittelt werden, wobei sich das (Justierungs-)Verhältnis aus einer Positionsänderung des Stößels in Relation zu einer Temperaturänderung des Dehnstoffelements ergibt, insbesondere bis zum Erreichen eines Erstkontakts oder bis zum Erreichen eines Vollkontakts.The adjust position of the ejector element can preferably be determined at least as a function of a full contact position of the plunger and a slope of an (adjustment) ratio, the (adjustment) ratio resulting from a change in position of the plunger in relation to a change in temperature of the expansion element , especially until an initial contact is reached or until a full contact is achieved.
Besonders bevorzugt kann die Adjust-Position des Ausstoßelements mittels der nachfolgenden Gleichung berechnet werden:
Dabei sind:
- s(AP) = Position des Ausstoßelements in der Adjust-Position. Hierfür wird eine korrespondierende Adjust-Temperatur des Dehnstoffelements ermittelt, vorzugsweise auf Grundlage der zuvor erfassten „Temperatur-Position“-Wertepaare.
- s(VP) = Position des Ausstoßelements bei Vollkontakt und daraus ermittelt eine korrespondierende Vollkontakt-Temperatur der Dehnstoffeinheit.
- m = (Δs/ΔT) = Steigung eines Funktionsgraphen, der auf „Stößelposition-Temperatur“-Wertepaaren bis zum Erreichen eines Erstkontakts („reales“ System) oder bis zum Erreichen eines Vollkontakts („ideales System“) basiert (abhängig davon, welcher Kontakt zuerst erreicht wird).
- T = benötigte Temperaturdifferenz des Dehnstoffelements, ausgehend vom Vollkontakt, um eine gewünschte Dichtkraft des Stößels zu erreichen. Vorzugsweise kann ein Temperaturdifferenzwert T in Abhängigkeit einer Gesamtfedersteifigkeit FS eines Aktorsystems, in Abhängigkeit einer gewünschten Dichtkraft DS, welche z. B. in einer Firmware des Dosiersystems hinterlegt sein kann, und abhängig von der jeweils ermittelten Steigung m berechnet werden. Unter der Gesamtfedersteifigkeit FS wird eine Art mittlere Federsteifigkeit eines Dosiersystems verstanden, wobei die Federsteifigkeit z. B. an mehreren Exemplaren des Dosiersystems gemessen werden und ggf. über mehrere Exemplare gemittelt werden kann.
- s (AP) = position of the ejector element in the adjust position. For this purpose, a corresponding adjust temperature of the expansion element is determined, preferably on the basis of the previously recorded “temperature-position” value pairs.
- s (VP) = position of the ejection element in full contact and from this determines a Corresponding full contact temperature of the expansion unit.
- m = (Δs / ΔT) = slope of a function graph based on “slide position-temperature” value pairs until a first contact is reached (“real” system) or until a full contact is reached (“ideal system”) (depending on which Contact is reached first).
- T = required temperature difference of the expansion element, based on full contact, in order to achieve a desired sealing force of the plunger. Preferably, a temperature difference value T as a function of a total spring stiffness FS of an actuator system, as a function of a desired sealing force DS, which z. B. can be stored in a firmware of the metering system, and calculated depending on the slope m determined in each case. The total spring stiffness FS is understood to mean a type of mean spring stiffness of a metering system, the spring stiffness z. B. can be measured on several copies of the dosing system and, if necessary, averaged over several copies.
Zusätzlich kann die Adjust-Position abhängig von einem applikationsspezifischen Parameter sein, welcher in den Bestimmungsprozess mit einbezogen wird. So kann es beispielsweise vorteilhaft sein, bei einem besonders hohen Versorgungsdruck des zu dosierenden Mediums die so auf den Stößel wirkenden Kräfte durch eine initial höhere Dichtkraft zu kompensieren und somit den Versorgungsdruck als applikationsspezifischen Parameter mit einzubeziehen.In addition, the adjust position can be dependent on an application-specific parameter that is included in the determination process. For example, when the supply pressure of the medium to be metered is particularly high, the forces acting on the plunger can be compensated for by an initially higher sealing force and thus the supply pressure included as an application-specific parameter.
Bei einem sehr steifen Dosiersystem sollte sich nach dem Vollkontakt die jeweilige Position des Stößels im Wesentlichen nicht mehr ändern. Daher ist s(AP) im Wesentlichen gleich s(VP), wobei der Unterschied durch den Term m·T nicht zu einer weiteren Positionsänderung, sondern nur zu einem benötigten Dichtkraftaufbau durch den Stößel führt.In the case of a very stiff metering system, the respective position of the plunger should essentially no longer change after full contact. Therefore, s (AP) is essentially equal to s (VP), the difference due to the term m · T not leading to a further change in position, but only to a required build-up of sealing force by the tappet.
Bevorzugt kann daher die Position des Stößels in der Adjust-Position im Wesentlichen gleich der Position des Stößels in der Vollkontakt-Position und/oder im Wesentlichen gleich der Position des Stößels in einer Ausstoß-Endposition sein, welche später noch genauer erläutert wird.The position of the plunger in the adjust position can therefore preferably be essentially the same as the position of the plunger in the full contact position and / or essentially the same as the position of the plunger in an ejection end position, which will be explained in more detail later.
Bei einem nicht vollständig steifen Dosiersystem kann die spezifische Gesamtfedersteifigkeit FS bei der Bestimmung von s(AP) durch den Term m·T berücksichtigt werden, so dass eine elastische Verformung kompensiert und in der Adjust-Position eine gewünschte Dichtkraft aufgebaut werden kann. Bevorzugt kann auch bei einem nicht-steifen Dosiersystem die Position des Stößels in der Adjust-Position im Wesentlichen gleich der Position des Stößels in der Ausstoß-Endposition sein. Vorzugsweise kann die Position des Stößels in der Adjust-Position näherungsweise der Position des Stößels in der Vollkontakt-Position entsprechen.In the case of a metering system that is not completely rigid, the specific total spring stiffness FS can be taken into account when determining s (AP) using the term m · T, so that an elastic deformation can be compensated for and a desired sealing force can be built up in the adjust position. In the case of a non-rigid metering system, too, the position of the plunger in the adjust position can preferably be essentially the same as the position of the plunger in the ejection end position. The position of the plunger in the adjust position can preferably correspond approximately to the position of the plunger in the full contact position.
Zusammengefasst kann die Adjust-Position des Stößels zur Einstellung einer gewünschten Dichtkraft vorzugsweise zumindest unter Berücksichtigung einer (zuvor ermittelten) Vollkontakt-Position des Stößels, einer (ersten) Steigung (über die Temperatur) des noch frei beweglichen Stößels sowie einer im System hinterlegten Gesamtfedersteifigkeit des Dosiersystems ermittelt werden. Alternativ könnte mittels eines (später noch erläuterten) Kraftsensors auch direkt eine gewünschte Dichtkraft (Adjustkraft) und damit auch eine Adjust-Temperatur eingeregelt werden.In summary, the adjust position of the plunger can be used to set a desired sealing force, preferably at least taking into account a (previously determined) full contact position of the plunger, a (first) slope (above the temperature) of the still freely movable plunger and an overall spring stiffness of the stored in the system Dosing system can be determined. Alternatively, a desired sealing force (adjust force) and thus also an adjust temperature could be regulated directly by means of a force sensor (which will be explained later).
Bevorzugt kann die Adjust-Position s(AP) des Ausstoßelements über das Dehnstoffelement eingestellt werden. Besonders bevorzugt kann im Dehnstoffelement eine Adjust-Temperatur eingestellt werden, um das Ausstoßelement in die Adjust-Position zu bringen. Daher kann in einem letzten optionalen Schritt des Justageprozesses das Ausstoßelement vorzugsweise durch entsprechendes Temperieren des Dehnstoffelements auf die für den Adjustpunkt ermittelte Temperatur in die Adjust-Position gebracht werden. Dazu kann das Dehnstoffelement vorzugsweise über die Vollkontakt-Temperatur hinaus weiter erwärmt werden, bis die Adjust-Position des Ausstoßelements erreicht ist.The adjust position s (AP) of the ejection element can preferably be set via the expansion element. An adjust temperature can particularly preferably be set in the expansion element in order to bring the ejection element into the adjust position. Therefore, in a last optional step of the adjustment process, the ejector element can preferably be brought into the adjust position by correspondingly tempering the expansion element to the temperature determined for the adjustment point. For this purpose, the expansion element can preferably be heated further beyond the full contact temperature until the adjust position of the ejection element is reached.
Das Erreichen bzw. Einstellen der jeweiligen Adjust-Position richtet sich nach der konkreten Ausgestaltung des Dosiersystems, wie nachfolgend erläutert wird.Reaching or setting the respective adjust position depends on the specific configuration of the dosing system, as will be explained below.
Bei einem „idealen“ sehr steifen Dosiersystem kann der Vollkontakt bereits der Adjust-Position des Stößels entsprechen. Wie zuvor erläutert, führt eine Erwärmung des Dehnstoffelements über die Vollkontakt-Temperatur hinaus überwiegend dazu, dass eine Dichtkraft des Stößels aufgebaut wird. Die Position des Stößels bleibt dabei jedoch im Wesentlichen konstant. Daher kann vorzugsweise die Vollkontakt-Position des Stößels der Adjust-Position des Stößels entsprechen.With an "ideal" very stiff dosing system, the full contact can already correspond to the adjust position of the ram. As explained above, if the expansion element is heated above the full contact temperature, the main result is that a sealing force is built up in the plunger. The position of the ram remains essentially constant. Therefore, the full contact position of the tappet can preferably correspond to the adjust position of the tappet.
Bei einem „idealen“ nicht-steifen, d. h. zumindest teilelastischen Dosiersystem kann sich, wie gesagt, die Position des Stößels auf Grund einer elastischen Verformung von Komponenten des Dosiersystems nach dem Vollkontakt noch geringfügig ändern. Daher kann sich ab dem Vollkontakt ein (zweites) überwiegend lineares (Justierungs-)Verhältnis einstellen, welches vorzugsweise eine nur noch sehr geringe Steigung hat. Die Adjust-Position ist dann erreicht, wenn die gewünschte Dichtkraft erreicht ist.In the case of an "ideal" non-rigid, i.e. H. At least partially elastic dosing systems can, as mentioned, change the position of the plunger due to an elastic deformation of components of the dosing system after full contact. A (second) predominantly linear (adjustment) ratio can therefore be established from full contact, which preferably has only a very slight slope. The adjust position is reached when the desired sealing force is achieved.
Für ein „reales“ Dosiersystem gilt, dass hier ein Wechsel von einem zweiten zu einem dritten (Justierungs-)Verhältnis erst die Vollkontakt-Position des Stößels definiert. Entsprechend kann bei einem sehr steifen „realen“ Dosiersystem die Stößelposition, an der sich der Übergang vom zweiten zum dritten (Justierungs-)Verhältnis vollzieht, der Adjust-Position des Stößels entsprechen. Vorzugsweise kann eine dem dritten (Justierungs-)Verhältnis zugeordnete Steigung dann näherungsweise null sein. For a “real” dosing system, a change from a second to a third (adjustment) ratio only defines the full contact position of the plunger. Correspondingly, in a very rigid “real” metering system, the ram position at which the transition from the second to the third (adjustment) ratio takes place can correspond to the adjust position of the ram. A slope assigned to the third (adjustment) ratio can then be approximately zero.
Demgegenüber kann bei einem nicht-steifen „realen“ Dosiersystem der Stößel gemäß einem dritten (Justierungs-)Verhältnis bzw. gemäß einer zugeordneten dritten Steigung noch geringfügig bis in die Adjust-Position bewegt werden, wobei nach dem Erreichen der Adjust-Position keine Positionsänderung mehr erfolgt, da ja das Dehnstoffelement nicht weiter expandiert wird.In contrast, in a non-rigid “real” metering system, the plunger can be moved slightly into the adjust position according to a third (adjustment) ratio or according to an associated third slope, with no further change in position after the adjust position has been reached takes place because the expansion element is not expanded any further.
Wie schon erläutert, kann der Stößel bei einem nicht-steifen Dosiersystem zwar nach dem Vollkontakt noch geringfügig bewegt werden, wobei auch hier nach dem Vollkontakt ein Großteil der weiteren Expansion des Dehnstoffelements zur Einstellung einer Dichtkraft des Stößels genutzt werden kann.As already explained, in a non-rigid metering system the plunger can still be moved slightly after full contact, whereby a large part of the further expansion of the expansion element can be used to set a sealing force of the plunger after full contact.
Alternativ oder zusätzlich kann in dem Justageprozess auch vorgesehen sein, dass der zweite Aktor, insbesondere das Dehnstoffelement, über die Vollkontakt-Temperatur hinaus bis zum Erreichen einer im Betrieb maximalen „Systemauslenkung“ erwärmt wird. Die maximale „Systemauslenkung“ entspricht einer im Betrieb maximal vorgesehenen Auslenkung des (ersten) Aktors und einer im Betrieb maximal vorgesehenen Expansion des Dehnstoffelements.As an alternative or in addition, it can also be provided in the adjustment process that the second actuator, in particular the expansion element, is heated beyond the full contact temperature until a maximum “system deflection” is reached during operation. The maximum “system deflection” corresponds to a maximum deflection of the (first) actuator provided during operation and a maximum planned expansion of the expansion element during operation.
Entsprechend kann dann in dem Adjustprozess eine „System-Endkontakt“-Position des Ausstoßelements ermittelt und ggf. gespeichert werden, also die Position, die das Ausstoßelement bei einer im Betrieb maximalen Systemauslenkung hat. Weiterhin kann eine „System-Endkontakt“-Temperatur des Dehnstoffelements bestimmt und ggf. gespeichert werden, also die Temperatur, die das Dehnstoffelement bei der im Betrieb maximal vorgesehenen Systemauslenkung hat. Vorzugsweise können auch die „System-Endkontakt“-Position bzw. die „System-Endkontakt“-Temperatur auf Grundlage von „Temperatur-Stößelposition“-Wertepaaren bestimmt werden.Correspondingly, a “system end contact” position of the ejector element can then be determined and, if necessary, stored in the adjust process, that is to say the position that the ejector element has when the system is deflected at maximum during operation. Furthermore, a “system end contact” temperature of the expansion element can be determined and, if necessary, saved, that is to say the temperature that the expansion element has during the maximum system deflection provided during operation. The “system end contact” position or the “system end contact” temperature can preferably also be determined on the basis of “temperature-plunger position” value pairs.
Die so bestimmte „System-Endkontakt“-Position des Ausstoßelements und/oder die „System-Endkontakt“-Temperatur des Dehnstoffelements können alternativ oder zusätzlich zur Vollkontakt-Position bzw. zur Vollkontakt-Temperatur bei der Ermittlung der Adjust-Position und/oder der Adjust-Temperatur berücksichtigt werden.The so determined “system end contact” position of the ejection element and / or the “system end contact” temperature of the expansion element can be used as an alternative or in addition to the full contact position or the full contact temperature when determining the adjust position and / or the Adjust temperature must be taken into account.
Um das Ausstoßelement von der „System-Endkontakt“-Position in die bestimmte Adjust-Position zu bringen, kann das Dehnstoffelement gegebenenfalls auch bevorzugt mittels Kühlen auf die der Adjust-Position zugeordnete Adjust-Temperatur gebracht werden. In order to bring the ejection element from the “system end contact” position into the specific adjust position, the expansion element can optionally also be brought to the adjust temperature assigned to the adjust position, preferably by means of cooling.
Weiterhin stellt die so definierte „System-Endkontakt“-Position aber auch ein Maß für einen im Betrieb maximalen Regelbereich dar. In der „System-Endkontakt“-Position kann eine im Betrieb größtmögliche Dichtkraft erreicht werden. Vorteilhafterweise kann über eine Differenz zwischen einer bestimmten Adjust-Position und der „System-Endkontakt“-Position eine Auskunft über eine Regelreserve und damit ggf. auch über den vorhandenen Verschleiß des Dosiersystems gewonnen werden.Furthermore, the “system end contact” position defined in this way also represents a measure of a maximum control range during operation. In the “system end contact” position, the greatest possible sealing force can be achieved during operation. Advantageously, a difference between a certain adjust position and the “system end contact” position can be used to obtain information about a control reserve and thus possibly also about the existing wear of the metering system.
Der zuvor beschriebene Justageprozess kann einerseits vor einer erstmaligen Inbetriebnahme des Dosiersystems durchgeführt werden, z. B. um eine initiale Adjust-Position zu bestimmen. Allerdings kann der Justageprozess auch nach einer vorübergehenden Unterbrechung des Dosierbetriebs (erneut) durchgeführt werden, z. B. nach dem Austausch eines Stößels. Auch eine routinemäßige Justage des Dosiersystems ist denkbar.The adjustment process described above can be carried out on the one hand before the first commissioning of the dosing system, for B. to determine an initial adjust position. However, the adjustment process can also be carried out (again) after a temporary interruption of the dosing operation B. after replacing a plunger. Routine adjustment of the dosing system is also conceivable.
Vorteilhafterweise kann mittels des Dehnstoffelements im Justageprozess eine besonders präzise und zugleich unkomplizierte Einstellung der Adjust-Position des Stößels vorgenommen werden. Dieser Vorgang wird auch als „thermischer Adjust“ durch das Dehnstoffelement bezeichnet. Da die Adjust-Position für jedes Dosiersystem separat bestimmt werden kann, können etwaige Fertigungstoleranzen jedes einzelnen Dosiersystems durch die Steuereinheit selbst ausgeglichen werden. Dadurch kann bei Dosieranwendungen mit einer Vielzahl von Dosiersystemen ein im Wesentlichen identischer (hydraulisch) wirksamer Hub eingestellt werden, d. h. die Dosiersysteme können besonders vergleichbar dosieren.A particularly precise and at the same time uncomplicated setting of the adjust position of the plunger can advantageously be carried out by means of the expansion element in the adjustment process. This process is also referred to as "thermal adjust" by the expansion element. Since the adjust position can be determined separately for each metering system, any manufacturing tolerances of each individual metering system can be compensated for by the control unit itself. As a result, a substantially identical (hydraulically) effective stroke can be set in dosing applications with a large number of dosing systems, i.e. H. the dosing systems can dose in a particularly comparable manner.
Weiterhin vorteilhaft ist der Justageprozess vergleichsweise unkompliziert durchführbar. Das Dosiersystem kann z. B. bevorzugt so ausgestaltet sein, dass der Justageprozess mittels einer Eingabe an die Steuereinheit durch einen Nutzer gestartet wird, wobei die gesamte Justage dann automatisch abläuft. Damit können einerseits die Betriebskosten des Dosiersystems reduziert werden, da die Justage nun auch durch den Nutzer selber, insbesondere auch durch ungeschultes Personal, erfolgen kann. Gleichzeitig ist aber auch eine hohe Zuverlässigkeit des Justageprozesses gegeben, da menschliches Zutun - und entsprechende Fehlerquellen - weitestgehend vermieden werden können. Somit kann die Dosiergenauigkeit eines jeweiligen Dosiersystems und vor allem auch die Vergleichbarkeit der Dosierung von mehreren Dosiersystemen weiter verbessert werden. The adjustment process can also advantageously be carried out in a comparatively uncomplicated manner. The dosing system can, for. B. preferably be designed so that the adjustment process is started by means of an input to the control unit by a user, the entire adjustment then running automatically. In this way, on the one hand, the operating costs of the dosing system can be reduced, since the adjustment can now also be carried out by the user himself, in particular also by untrained personnel. At the same time, however, the adjustment process is also highly reliable, since human intervention - and corresponding sources of error - can be largely avoided. The dosing accuracy of a respective dosing system and, above all, the comparability of the dosing of several dosing systems can thus be further improved.
Um die zuvor erläuterten Vorteile des Justageprozesses bei der Dosierung gewinnbringend nutzen zu können, wird der zweite Aktor, insbesondere das Dehnstoffelement, vorzugsweise so gesteuert und/oder geregelt, dass gerade eine Ausstoß-Endposition des Ausstoßelements im Betrieb des Dosiersystems, insbesondere bei jedem Ausstoßvorgang, einer in einem vorher durchgeführten Justageprozess ermittelten Adjust-Position entspricht. Bevorzugt kann die Steuerung und/oder Regelung des Dehnstoffelements in Abhängigkeit einer tatsächlichen Ausstoß-Endposition des Stößels bei einem jeweiligen Ausstoßvorgang und unter Berücksichtigung einer Änderung der Piezoaktor-Steuerspannung während desselben Ausstoßvorgangs bestimmt werden. Unter der „Ausstoß-Endposition“ wird die Position des Stößels verstanden, die der Stößel am Ende eines jeweiligen Ausstoßvorgangs tatsächlich hat, also bei einer im Betrieb maximal vorgesehenen Auslenkung des (ersten) Aktors. Vorzugsweise kann die Position des Stößels in der Ausstoß-Endposition im Wesentlichen gleich der Position des Stößels in der Adjust-Position sein.In order to be able to profitably use the previously explained advantages of the adjustment process during the dosing, the second actuator, in particular the expansion element, is preferably controlled and / or regulated in such a way that just an ejection end position of the ejection element during operation of the dosing system, in particular during each ejection process, corresponds to an adjust position determined in a previously carried out adjustment process. The control and / or regulation of the expansion element can preferably be determined as a function of an actual ejection end position of the plunger during a respective ejection process and taking into account a change in the piezo actuator control voltage during the same ejection process. The “ejection end position” is understood to mean the position of the tappet that the tappet actually has at the end of a respective ejection process, that is, when the (first) actuator is deflected to the maximum extent during operation. Preferably, the position of the plunger in the ejection end position can be essentially the same as the position of the plunger in the adjust position.
Bevorzugt kann ein Regelprozess so erfolgen, dass die Ausstoß-Endposition im Betrieb auf einen konstanten Wert hin geregelt wird, insbesondere auf die Adjust-Position. Dazu kann das Dehnstoffelement so geregelt werden, dass im Dehnstoffelement eine Adjust-Temperatur, die wie erwähnt der zuvor ermittelten Adjust-Position zugeordnet ist, im Betrieb erreicht und/oder konstant gehalten wird. Vorzugsweise kann ein mit der Steuereinheit gekoppelter PID-Regler oder Fuzzy-Regler die Heizeinrichtung und/oder die Kühleinrichtung des Dehnstoffelements so ansteuern, um die Adjust-Temperatur einzustellen.A control process can preferably take place in such a way that the ejection end position is controlled to a constant value during operation, in particular to the adjust position. For this purpose, the expansion element can be regulated in such a way that an adjust temperature, which, as mentioned, is assigned to the previously determined adjust position, is reached and / or kept constant in the expansion element. A PID controller or fuzzy controller coupled to the control unit can preferably control the heating device and / or the cooling device of the expansion element in such a way as to set the adjust temperature.
Vorteilhafterweise kann über den Regelprozess auch erreicht werden, dass im Betrieb ein gewünschter (hydraulisch) wirksamer Hub des Stößels zuverlässig erreicht und auch über einen längeren Zeitraum konstant beibehalten werden kann.Advantageously, the control process can also be used to ensure that a desired (hydraulically) effective stroke of the tappet is reliably achieved during operation and can also be maintained constant over a longer period of time.
Allerdings kann die Einstellung bzw. Konstanthaltung der Adjust-Temperatur im Dehnstoffelement auch dann sinnvoll sein, wenn vorübergehend keine Dosierstoffabgabe erfolgt, z. B. wenn sich das Dosiersystem zeitweise in einem Bereitschaftsmodus (Hold-Modus) befindet. Vorzugsweise kann auch bei Stillstand des Dosiersystems mittels des PID-Reglers die Adjust-Temperatur im Dehnstoffelement konstant gehalten werden. Dadurch kann auch bei einer kurzfristigen Wiederaufnahme des Dosiervorgangs umgehend eine hohe Dosiergenauigkeit gewährleistet werden.However, setting or keeping the adjust temperature constant in the expansion element can also be useful if there is temporarily no dosing, e.g. B. when the dosing system is temporarily in a standby mode (hold mode). The adjust temperature in the expansion element can preferably be kept constant by means of the PID controller even when the dosing system is at a standstill. As a result, a high level of dosing accuracy can be guaranteed immediately even if the dosing process is restarted at short notice.
Um einen besonders stabilen Betrieb des Dosiersystems zu gewährleisten, kann das Dosiersystem zumindest einen Kraftsensor umfassen, welcher vorzugsweise mit der Steuereinheit signaltechnisch gekoppelt ist. Bevorzugt können Messwerte des Kraftsensors bei der Regelung des Dehnstoffelements berücksichtigt werden.In order to ensure particularly stable operation of the metering system, the metering system can include at least one force sensor, which is preferably coupled to the control unit for signaling purposes. Measured values of the force sensor can preferably be taken into account when regulating the expansion element.
Der Kraftsensor ist vorzugsweise ausgebildet, um eine vom zweiten Aktor, insbesondere vom Dehnstoffelement, auf den (ersten) (Piezo-)Aktor ausgeübte Kraft zu ermitteln. Insbesondere kann der Kraftsensor auch dazu ausgebildet sein, um beispielsweise mit Hilfe einer Auswerteinheit (welche auch Teil der Steuereinheit sein kann), auf Basis der Messwerte des Kraftsensors eine Dichtkraft des Stößels gegenüber der Düse zu ermitteln. Bevorzugt kann der Kraftsensor in einer „Kraftlinie“ mit dem Dehnstoffelement und dem Piezoaktor angeordnet sein. Beispielsweise kann der Kraftsensor in einem Auflagepunkt bzw. Kontaktpunkt des Dehnstoffelements gegenüber dem Piezoaktor angeordnet sein.The force sensor is preferably designed to determine a force exerted by the second actuator, in particular the expansion element, on the (first) (piezo) actuator. In particular, the force sensor can also be designed to determine a sealing force of the plunger relative to the nozzle on the basis of the measured values of the force sensor, for example with the aid of an evaluation unit (which can also be part of the control unit). The force sensor can preferably be arranged in a “line of force” with the expansion element and the piezo actuator. For example, the force sensor can be arranged in a support point or contact point of the expansion element opposite the piezo actuator.
Vorteilhafterweise kann über den Kraftsensor direkt auf eine konstante Kraft hin geregelt werden. Insbesondere kann über den Kraftsensor eine Dichtkraft des Stößels konstant eingeregelt werden. Da sich die Federsteifigkeit des Gesamtsystems im Betrieb nicht ändern sollte ist dann eine lückenlose Regelung in allen Betriebsarten möglich, z. B. auch im Hold-Modus.The force sensor can advantageously be used to regulate directly to a constant force. In particular, a sealing force of the plunger can be adjusted to be constant via the force sensor. Since the spring stiffness of the overall system should not change during operation, seamless control is then possible in all operating modes, e.g. B. also in hold mode.
Um die Dosiergenauigkeit insbesondere unter schwankenden Betriebs- bzw. Umweltbedingungen noch weiter zu verbessern, kann in einem bevorzugten Steuerverfahren des Dosiersystems ein mehrschrittiger Regelalgorithmus durchlaufen werden, um die Ausstoß-Endposition des Stößels besonders genau auf die gewünschte, zuvor beispielsweise wie oben beschrieben ermittelte, Adjust-Position oder indirekt auf eine bestimmte Dichtkraft hin zu regeln. Vorzugsweise können die einzelnen Schritte des Regelalgorithmus von der Steuereinheit abgearbeitet werden, insbesondere vollautomatisch. Bevorzugt kann dieser Korrektur-Algorithmus im laufenden (regelmäßigen) Dosierbetrieb durchlaufen werden.In order to further improve the dosing accuracy, especially under fluctuating operating or environmental conditions, a multi-step control algorithm can be run through in a preferred control method of the dosing system in order to adjust the ejection end position of the plunger particularly precisely to the desired, for example previously determined as described above, Adjust -To regulate position or indirectly to a certain sealing force. The individual steps of the control algorithm can preferably be processed by the control unit, in particular fully automatically. This correction algorithm can preferably be run through in the ongoing (regular) metering operation.
Der Regelalgorithmus kann grundsätzlich während einer jeweiligen „schließenden“ Flanke und/oder während einer jeweiligen „öffnenden“ Flanke durchlaufen werden, also während eines Ausstoßvorgangs von Dosierstoff bzw. während einer Rückzugsbewegung des Stößels. Je nach Dosieranforderung können die „öffnenden“ Flanken mit etwas langsameren Geschwindigkeiten als die „schließenden“ Flanken gefahren werden, so dass bei einer jeweiligen „öffnenden“ Flanke mehr Wertepaare bei einer gegebenen Abtastrate erfasst werden können, wobei die Auswertung noch präziser erfolgen kann. Daher kann die Verwendung der „öffnenden“ Flanke sogar bevorzugt sein. Zur besseren Verdeutlichung des Regelprozesses werden, sofern nicht anders erwähnt, dennoch die einzelnen Schritte nachfolgend, ohne eine Beschränkung darauf, anhand einer „schließenden“ Flanke beschrieben.The control algorithm can basically be run through during a respective “closing” flank and / or during a respective “opening” flank, that is to say during an ejection process of dosing substance or during a retraction movement of the plunger. Depending on the dosing requirement, the "opening" flanks can be run at slightly slower speeds than the "closing" flanks, so that more value pairs can be recorded at a given sampling rate for each "opening" flank, with the evaluation being even more precise. The use of the “opening” edge can therefore even be preferred. In order to better illustrate the control process, unless otherwise stated, the individual steps below are nevertheless used without a Limitation to this, described using a “closing” edge.
In einem ersten Schritt kann eine Ausstoß-Anfangsposition des Ausstoßelements eingestellt werden. Die Ausstoß-Anfangsposition ist dadurch gekennzeichnet, dass der (erste) Aktor nicht ausgelenkt ist, d. h. der (erste) Aktor befindet sich in einer Ruheposition. Entsprechend ist die Ausstoßspitze des Stößels so weit von der Düse beabstandet, wie dies im Betrieb möglich ist. Der Regelalgorithmus startet also vorzugsweise sobald eine Rückzugsbewegung des Stößels vollständig abgeschlossen ist bzw. unmittelbar bevor eine neue Ausstoßbewegung startet. Die Ausstoß-Anfangsposition kann z. B. über den Hall-Sensor und/oder die elektrische Steuerspannung des (ersten) Aktors, insbesondere des Piezoaktors, bestimmt werden.In a first step, an ejection start position of the ejection element can be set. The ejection start position is characterized in that the (first) actuator is not deflected, i. H. the (first) actuator is in a rest position. Accordingly, the ejection tip of the plunger is spaced as far from the nozzle as is possible during operation. The control algorithm therefore preferably starts as soon as a retraction movement of the plunger is completely completed or immediately before a new ejection movement starts. The ejection start position can e.g. B. can be determined via the Hall sensor and / or the electrical control voltage of the (first) actuator, in particular the piezo actuator.
In einem zweiten Schritt kann während eines einzigen Ausstoßvorgangs eine Auslenkung des (ersten) Aktors und/oder eine Änderung der elektrischen Steuerspannung des (ersten) Aktors in Abhängigkeit der Zeit erfasst werden. Vorzugsweise kann darüber eine Auslenkungsgeschwindigkeit des (ersten) Aktors ermittelt werden, und zwar ausgehend von der Ruheposition des Aktors bis zur (im Betrieb vorgesehenen) maximalen Auslenkung des Aktors. Bevorzugt kann die Änderung der an den (ersten) Aktor, insbesondere an den Piezoaktor, angelegten elektrischen Steuerspannung über die Zeit erfasst werden (Änderungsgeschwindigkeit der Steuerspannung).In a second step, a deflection of the (first) actuator and / or a change in the electrical control voltage of the (first) actuator as a function of time can be detected during a single ejection process. A deflection speed of the (first) actuator can preferably be determined in this way, to be precise starting from the rest position of the actuator up to the maximum deflection of the actuator (provided during operation). The change in the electrical control voltage applied to the (first) actuator, in particular to the piezo actuator, can preferably be recorded over time (rate of change of the control voltage).
Bevorzugt kann während desselben Ausstoßvorgangs auch die Stößelposition in Abhängigkeit der Zeit erfasst werden. Vorzugsweise kann darüber eine Stößelgeschwindigkeit ermittelt werden, und zwar ausgehend von der Ausstoß-Anfangsposition bis zum Erreichen der Ausstoß-Endposition des Stößels. Die Stößelposition kann, wie erwähnt, über den Hall-Sensor erfasst werden.The ram position can preferably also be recorded as a function of time during the same ejection process. A plunger speed can preferably be determined in this way, to be precise starting from the ejection start position until the ejection end position of the plunger is reached. As mentioned, the ram position can be detected via the Hall sensor.
Vorzugsweise werden die Änderungsgeschwindigkeit der Steuerspannung des Piezoaktors und die damit korrespondierende Stößelgeschwindigkeit jeweils wiederholt zu im Wesentlichen denselben Zeitpunkten ermittelt. Bevorzugt können daher mittels der Steuereinheit regelmäßig Wertepaare („Steuerspannung-Stößelposition“-Wertepaare) über die Zeit des Ausstoßvorgangs erfasst werden, wobei die Wertepaare die jeweilige Aktor-Steuerspannung (erster Aktor) und die jeweils damit korrespondierende (zugeordnete) Stößelposition umfassen.The rate of change of the control voltage of the piezo actuator and the corresponding tappet speed are preferably determined repeatedly at essentially the same points in time. Preferably, pairs of values (“control voltage-tappet position” -value pairs) over the time of the ejection process can therefore preferably be recorded by means of the control unit, the value pairs including the respective actuator control voltage (first actuator) and the corresponding (assigned) tappet position.
In einem weiteren Schritt des Regelalgorithmus kann dann ein Istwert eines eine Dichtstellungs-Aktorauslenkung repräsentierenden Werts ermittelt werden. Die Dichtstellungs-Aktorauslenkung kann, wie gesagt, ein Anteil der im Betrieb maximal vorgesehenen Auslenkung des ersten Aktors sein. Bevorzugt kann die Dichtstellungs-Aktorauslenkung ein Anteil einer im Betrieb maximal an den Piezoaktor (als ersten Aktor) angelegten elektrischen Steuerspannung sein. Die Dichtstellungs-Aktorauslenkung ist darüber definiert, dass das Ausstoßelement um ein bestimmtes Mindestmaß über den Vollkontakt zwischen dem Ausstoßelement und der Düse hinaus in den Dichtsitz der Düse gedrückt wird. Die Dichtstellungs-Aktorauslenkung ist also speziell jener Anteil der Aktorauslenkung, der den Stößel in den Dichtbereich einbringt und damit eine gewünschte Dichtkraft aufbaut.In a further step of the control algorithm, an actual value of a value representing a sealing position actuator deflection can then be determined. As mentioned, the sealing position actuator deflection can be a proportion of the maximum deflection of the first actuator provided during operation. The sealing position actuator deflection can preferably be a portion of a maximum electrical control voltage applied to the piezo actuator (as the first actuator) during operation. The sealing position actuator deflection is defined by the fact that the ejection element is pressed into the sealing seat of the nozzle by a certain minimum beyond the full contact between the ejection element and the nozzle. The sealing position actuator deflection is therefore specifically that portion of the actuator deflection which brings the plunger into the sealing area and thus builds up a desired sealing force.
Ein Wert, der die Dichtstellungs-Aktorauslenkung repräsentiert, kann bevorzugt eine Komponente (eine Teilspannung) der an den Piezoaktor (als ersten Aktor) im Betrieb maximal angelegten elektrischen Steuerspannung sein, um eine bestimmte Dichtkraft des Stößels einzustellen. Bei einem Pneumatikaktor könnte z. B. ein allmählicher Druckaufbau in Relation zu der jeweils korrespondierenden Stößelposition erfasst werden. Die Dichtstellungs-Aktorauslenkung könnte dann einer bestimmten Druckerhöhung entsprechen, die ausgehend vom Vollkontakt zum Aufbau der Dichtkraft noch erforderlich ist.A value that represents the sealing position actuator deflection can preferably be a component (a partial voltage) of the maximum electrical control voltage applied to the piezo actuator (as the first actuator) during operation in order to set a specific sealing force of the plunger. In a pneumatic actuator could, for. B. a gradual pressure build-up in relation to the respective corresponding slide position can be detected. The sealing position actuator deflection could then correspond to a specific increase in pressure which, based on full contact, is still required to build up the sealing force.
Das bedeutet, dass über die Bestimmung der Dichtstellungs-Aktorauslenkung, insbesondere über deren Ausmaß, ermittelt werden kann, ob der Stößel in eine gewünschte Adjust-Position bewegt wird, oder ob die Ausstoßbewegung an einer anderen Ausstoß-Endposition endet, z. B. an einem „früheren“ oder „späteren“ Punkt.This means that by determining the sealing position actuator deflection, in particular its extent, it can be determined whether the plunger is moved into a desired adjust position, or whether the ejection movement ends at another ejection end position, e.g. B. at an "earlier" or "later" point.
Die Ermittlung des Werts, der die Dichtstellungs-Aktorauslenkung repräsentiert, kann vorzugsweise auf Grundlage der zuvor bestimmten „Steuerspannung-Stößelposition“-Wertepaare erfolgen. Vorzugsweise kann die Änderungsgeschwindigkeit der Steuerspannung des Piezoaktors (als erstem Aktor) mit der entsprechenden Stößelgeschwindigkeit verglichen werden, insbesondere über den gesamten Ausstoßvorgang hinweg. Bevorzugt kann ein Verhältnis zwischen der Änderungsgeschwindigkeit der Steuerspannung und der Stößelgeschwindigkeit ermittelt werden.The determination of the value that represents the sealing position actuator deflection can preferably take place on the basis of the previously determined “control voltage-tappet position” value pairs. The rate of change of the control voltage of the piezo actuator (as the first actuator) can preferably be compared with the corresponding tappet speed, in particular over the entire ejection process. A ratio between the rate of change of the control voltage and the ram speed can preferably be determined.
Die Änderungsgeschwindigkeit der elektrischen Steuerspannung des Piezoaktors kann während des gesamten Ausstoßvorgangs im Wesentlichen konstant sein. Es sind aber ebenso komplexere Ansteuerspannungsfunktionen möglich, d. h. die Steuerspannung kann während des Ausstoßvorgangs variieren. Im Falle einer konstanten Änderungsgeschwindigkeit der elektrischen Steuerspannung des Piezoaktors kann die Auslenkungsgeschwindigkeit des Piezoaktors während unterschiedlicher Phasen des Ausstoßvorgangs variieren. Auf Grund der Kopplung zwischen dem (Piezo-)Aktor und dem Ausstoßelement, z. B. mittels eines Hebels, bilden die beiden Komponenten eine „Bewegungseinheit“. Entsprechend kann auch die Stößelgeschwindigkeit während eines jeweiligen Ausstoßvorgangs unterschiedlich sein, wie nachfolgend erläutert wird.The rate of change of the electrical control voltage of the piezo actuator can be essentially constant during the entire ejection process. However, more complex control voltage functions are also possible, ie the control voltage can vary during the ejection process. In the case of a constant rate of change in the electrical control voltage of the piezo actuator, the deflection rate of the piezo actuator can vary during different phases of the ejection process. Due to the coupling between the (piezo) actuator and the ejection element, e.g. B. by means of a lever, the two components form a "movement unit". Correspondingly, the slide speed can also be different during a respective ejection process, as will be explained below.
Zu Beginn eines jeweiligen Ausstoßvorgangs kann der Stößel durch die Auslenkung des (Piezo-)Aktors anfangs mit einer ersten überwiegend konstanten Geschwindigkeit in Richtung der Düse bewegt werden. Es kann sich daher ein erstes (Geschwindigkeits-)Verhältnis zwischen der Änderungsgeschwindigkeit der Piezoaktor-Steuerspannung und der Stößelgeschwindigkeit einstellen.At the beginning of a respective ejection process, the deflection of the (piezo) actuator can initially move the plunger at a first, predominantly constant speed in the direction of the nozzle. A first (speed) ratio can therefore be established between the rate of change of the piezo actuator control voltage and the ram speed.
Bei einem „idealen“ sehr steifen Dosiersystem kann sich nach dem Vollkontakt die Stößelgeschwindigkeit erheblich verlangsamen, insbesondere gegen null gehen, wobei der Stößel weiter in die Düse gedrückt wird. Das bedeutet für einen Piezoaktor, dass die elektrische Steuerspannung zwar im Wesentlichen konstant zunimmt, wobei der Stößel nicht mehr messbar bewegt wird. Auf Grund der Kopplung von Piezoaktor und Stößel ändert sich auch eine Längsausdehnung des Piezoaktors fast nicht mehr. Das bedeutet, die Erhöhung der elektrischen Steuerspannung führt zu einer überwiegend konstanten Druckzunahme bzw. zu einem (mechanischen) Spannungsaufbau im Piezoaktor, worüber dann die Dichtkraft des Stößels aufgebaut werden kann.In the case of an "ideal" very stiff dosing system, the ram speed can slow down considerably after full contact, in particular go to zero, with the ram being pressed further into the nozzle. For a piezo actuator, this means that the electrical control voltage increases essentially constantly, with the plunger no longer moving in a measurable manner. Due to the coupling of the piezo actuator and the plunger, the longitudinal extension of the piezo actuator hardly changes. This means that the increase in the electrical control voltage leads to a predominantly constant increase in pressure or to a (mechanical) build-up of tension in the piezo actuator, via which the sealing force of the plunger can then be built up.
Es kann sich daher nach dem Vollkontakt ein zweites (Geschwindigkeits-)Verhältnis zwischen der Änderungsgeschwindigkeit der Steuerspannung und der Stößelgeschwindigkeit einstellen, das sich vorzugsweise vom ersten Verhältnis unterscheidet. In dem Moment bzw. an der Stößelposition, an der sich der Wechsel vom ersten zum zweiten (Geschwindigkeits-)Verhältnis vollzieht, ist die Vollkontakt-Position des Stößels erreicht. Wie bereits erläutert, kann bei einem „idealen“ sehr steifen Dosiersystem vorzugsweise die Vollkontakt-Position des Stößels im Wesentlichen gleich der Ausstoß-Endposition des Stößels sein, wobei eine im Betrieb maximal vorgesehene Steuerspannung an den Piezoaktor angelegt ist.After full contact, a second (speed) ratio can therefore set between the rate of change of the control voltage and the ram speed, which ratio preferably differs from the first ratio. At the moment or at the ram position at which the change from the first to the second (speed) ratio takes place, the full contact position of the ram is reached. As already explained, in an “ideal” very rigid metering system, the full contact position of the plunger can preferably be essentially the same as the ejection end position of the plunger, with a maximum control voltage provided during operation being applied to the piezo actuator.
Bei einem „idealen“ nicht-steifen Dosiersystem kann sich die Stößelgeschwindigkeit nach dem Vollkontakt ebenfalls deutlich verlangsamen, wobei sich auch hier ein zweites (Geschwindigkeits-)Verhältnis einstellt. Die Stößelposition, an der sich der Wechsel vom ersten zum zweiten (Geschwindigkeits-)Verhältnis vollzieht, entspricht der Vollkontakt-Position des Stößels. Das zweite (Geschwindigkeits-)Verhältnis entspricht hierbei einer geringfügigen Positionsänderung des Stößels aufgrund einer elastischen Verformung von Komponenten des Dosiersystems. Der Stößel kann so lange geringfügig weiter bewegt werden, bis eine im Betrieb maximal vorgesehene Steuerspannung am Piezoaktor angelegt ist, wobei die Ausstoß-Endposition des Stößels erreicht ist. Das bedeutet, dass im Fall eines nicht-steifen Systems, anders als bei einem steifen System, nach dem Vollkontakt ein geringer Teil der elektrischen Spannungsänderung des Piezoaktors noch in eine Wegänderung des Stößels überführt werden kann, wobei der Großteil in die Kraftänderung fließt.With an “ideal” non-rigid dosing system, the ram speed can also slow down significantly after full contact, with a second (speed) ratio also being established here. The ram position at which the change from the first to the second (speed) ratio takes place corresponds to the full contact position of the ram. The second (speed) ratio corresponds to a slight change in position of the plunger due to elastic deformation of components of the dosing system. The plunger can be moved slightly further until a maximum control voltage provided during operation is applied to the piezo actuator, the ejection end position of the plunger being reached. This means that in the case of a non-rigid system, unlike a rigid system, after full contact, a small part of the electrical voltage change of the piezo actuator can still be converted into a change in travel of the plunger, with the majority flowing into the change in force.
Bei einem „realen“ Dosiersystem kann sich bis zu einem Erstkontakt ein erstes (Geschwindigkeits-)Verhältnis einstellen, wobei sich die Stößelgeschwindigkeit nach dem Erstkontakt aufgrund des „Shift-Prozesses“ verlangsamen kann. Die Stößelposition, an der sich ein Wechsel vom ersten zum einem zweiten (Geschwindigkeits-)Verhältnis vollzieht, entspricht dann der Erstkontakt-Position des Stößels. Sobald der Stößel aufgrund der Aktorauslenkung in die Vollkontakt-Position „gerutscht“ ist, kann sich die Stößelgeschwindigkeit deutlich verlangsamen, wobei sich ein drittes (Geschwindigkeits-)Verhältnis einstellt. Die Stößelposition, an der sich ein Wechsel vom zweiten zum dritten (Geschwindigkeits-)Verhältnis vollzieht, entspricht dann der Vollkontakt-Position des Stößels.With a “real” dosing system, a first (speed) ratio can be established up to the first contact, whereby the ram speed can slow down after the first contact due to the “shift process”. The ram position at which a change from the first to a second (speed) ratio takes place corresponds to the first contact position of the ram. As soon as the plunger has "slipped" into the full contact position due to the actuator deflection, the plunger speed can slow down significantly, with a third (speed) ratio being established. The ram position at which a change from the second to the third (speed) ratio takes place then corresponds to the full contact position of the ram.
Je nach Ausgestaltung des Dosiersystems kann die Vollkontakt-Position der Ausstoß-Endposition entsprechen (steifes System). Andernfalls kann der Stößel gemäß dem dritten (Geschwindigkeits-)Verhältnis noch bis in die oben definierte Ausstoß-Endposition bewegt werden.Depending on the configuration of the dosing system, the full contact position can correspond to the ejection end position (rigid system). Otherwise, according to the third (speed) ratio, the ram can still be moved into the ejection end position defined above.
Idealerweise kann die Ausstoß-Endposition der beabsichtigten Adjust-Position entsprechen. Die Adjust-Position kann, wie gesagt, vorzugsweise unter Berücksichtigung der gewünschten Dichtkraft und der Federsteifigkeit des Dosiersystems eingestellt werden. Im Betrieb des Dosiersystems kann es aber auch vorkommen, dass eine tatsächliche Ausstoß-Endposition des Stößels von einer zuvor bestimmten Adjust-Position abweicht. Dies kann z. B. durch eine thermisch bedingte Längenänderung des Piezoaktors und/oder eine Abnutzung von beweglichen Komponenten und/oder eine Änderung einer Temperatur eines Gehäuses des Dosiersystems und/oder eine Änderung einer Umgebungstemperatur des Dosiersystems verursacht sein. Entsprechend kann auch die tatsächliche Dichtstellungs-Aktorauslenkung (als Istwert) von einem „Sollwert“ der Dichtstellungs-Aktorauslenkung (zum Erreichen der Adjust-Position) abweichen.Ideally, the ejection end position can correspond to the intended adjust position. As mentioned, the adjust position can preferably be set taking into account the desired sealing force and the spring stiffness of the metering system. During the operation of the dosing system, however, it can also happen that an actual ejection end position of the plunger deviates from a previously determined adjust position. This can e.g. B. be caused by a thermally induced change in length of the piezo actuator and / or wear of moving components and / or a change in a temperature of a housing of the dosing system and / or a change in the ambient temperature of the dosing system. Correspondingly, the actual sealing position actuator deflection (as an actual value) can also deviate from a “setpoint” of the sealing position actuator deflection (to reach the adjust position).
Zur Ermittlung des Istwerts, der die Dichtstellungs-Aktorauslenkung repräsentiert, kann der tatsächliche Anteil der Aktorauslenkung (des ersten Aktors) bestimmt werden, der den Stößel ausgehend von der Vollkontakt-Position bis zur Ausstoß-Endposition in die Düse drückt. Der Istwert des die Dichtstellungs-Aktorauslenkung repräsentierenden Werts kann sich aus einer Differenz zwischen der im Betrieb maximalen Aktorauslenkung und der Aktorauslenkung bis zum Erreichen des Vollkontakts ergeben. Bevorzugt kann der Istwert der aktuellen Dichtstellungs-Aktorauslenkung einer Spannungsdifferenz zwischen einer im Betrieb maximal an den Piezoaktor (als ersten Aktor) angelegten elektrischen Steuerspannung und der elektrischen Steuerspannung sein, die nötig ist, um den Stößel bis in die Vollkontakt-Position zu bringen.To determine the actual value that represents the sealing position actuator deflection, the actual portion of the actuator deflection (of the first actuator) can be determined, which presses the plunger into the nozzle from the full contact position to the ejection end position. The actual value of the value representing the sealing position actuator deflection can be derived from a difference between which result in the maximum actuator deflection during operation and the actuator deflection until full contact is reached. Preferably, the actual value of the current sealing position actuator deflection can be a voltage difference between a maximum electrical control voltage applied to the piezo actuator (as the first actuator) during operation and the electrical control voltage that is necessary to bring the plunger into the full contact position.
Um die Ausstoß-Endposition im Betrieb auf eine bestimmte Adjust-Position hin zu regeln, kann in einem weiteren Schritt des Regelalgorithmus eine Differenz zwischen dem Istwert des die Dichtstellungs-Aktorauslenkung repräsentierenden Werts und einem Sollwert eines die Dichtstellungs-Aktorauslenkung repräsentierenden Werts ermittelt werden. Besonders bevorzugt kann das Dehnstoffelement in Abhängigkeit der ermittelten Differenz so geregelt werden, dass der Sollwert des die Dichtstellungs-Aktorauslenkung repräsentierenden Werts im Betrieb erreicht wird.In order to regulate the discharge end position during operation to a specific adjust position, a difference between the actual value of the value representing the sealing position actuator deflection and a setpoint value of a value representing the sealing position actuator deflection can be determined in a further step of the control algorithm. Particularly preferably, the expansion element can be regulated as a function of the determined difference such that the setpoint value of the value representing the sealing position actuator deflection is reached during operation.
Dieser Sollwert des die Dichtstellungs-Aktorauslenkung repräsentierenden Werts ist vorzugsweise einer bestimmten Adjust-Position zugeordnet. Das bedeutet, dass der Stößel durch eine Regelung auf diesen Sollwert („Soll-Dichtstellungs-Aktorauslenkung“) in die gewünschte Adjust-Position bewegt werden kann. Der Sollwert kann vorzugsweise eine Spannungsdifferenz zwischen der Steuerspannung zum Erreichen der Vollkontakt-Position und der maximal im Betrieb an den (ersten) Aktor angelegten elektrischen Steuerspannung sein. Der Sollwert der Dichtstellungs-Aktorauslenkung kann werksseitig vorgegeben sein und ist vorzugsweise in der Steuereinheit hinterlegt, z. B. in einem EEPROM. Alternativ oder zusätzlich kann der Sollwert der Dichtstellungs-Aktorauslenkung auch in einem separaten Speicher, vorzugsweise einem EEPROM, des Dosiersystems abrufbereit hinterlegt sein. Der Sollwert kann z. B. ein prozentualer Wert einer im Betrieb maximal möglichen Hubbewegung des (ersten) Aktors bzw. einer Längenänderung eines kalibrierten (ersten) Aktors sein. Weiterhin könnte der Sollwert auch mittels eines Kraftwerts realisiert sein.This setpoint value of the value representing the sealing position actuator deflection is preferably assigned to a specific adjust position. This means that the plunger can be moved into the desired adjust position by regulating it to this setpoint ("setpoint sealing position actuator deflection"). The setpoint value can preferably be a voltage difference between the control voltage for reaching the full contact position and the maximum electrical control voltage applied to the (first) actuator during operation. The target value of the sealing position actuator deflection can be preset at the factory and is preferably stored in the control unit, e.g. B. in an EEPROM. As an alternative or in addition, the target value of the sealing position actuator deflection can also be stored in a separate memory, preferably an EEPROM, of the metering system and ready for retrieval. The setpoint can e.g. B. be a percentage value of a maximum possible stroke movement of the (first) actuator or a change in length of a calibrated (first) actuator during operation. Furthermore, the setpoint could also be implemented by means of a force value.
Bevorzugt kann die Einstellung des Sollwerts des die Dichtstellungs-Aktorauslenkung repräsentierenden Werts über die Temperatur des Dehnstoffelements erfolgen. Besonders bevorzugt kann die Temperatur des Dehnstoffelements auf eine bestimmte Spannungsdifferenz der Piezoaktor-Steuerspannung (als Sollwert) konstant eingeregelt werden.The setpoint value of the value representing the sealing position actuator deflection can preferably be set via the temperature of the expansion element. Particularly preferably, the temperature of the expansion element can be controlled to be constant to a specific voltage difference of the piezo actuator control voltage (as a setpoint value).
Vorzugsweise kann der zweite Aktor, insbesondere das Dehnstoffelement, so gesteuert werden, dass bei einer negativen Abweichung des Istwerts vom Sollwert des die Dichtstellungs-Aktorauslenkung repräsentierenden Werts eine Temperatur des zweiten Aktors, insbesondere des Dehnstoffelements, erhöht wird, um den Sollwert der Dichtstellungs-Aktorauslenkung einzustellen. Entsprechend kann bei einer positiven Abweichung des Istwerts vom Sollwert des die Dichtstellungs-Aktorauslenkung repräsentierenden Werts die Temperatur des zweiten Aktors, insbesondere des Dehnstoffelements, reduziert werden, um den Sollwert der Dichtstellungs-Aktorauslenkung einzustellen.The second actuator, in particular the expansion element, can preferably be controlled in such a way that, in the event of a negative deviation of the actual value from the setpoint value of the value representing the sealing position actuator deflection, a temperature of the second actuator, in particular the expansion element, is increased by the setpoint value of the sealing position actuator deflection adjust. Correspondingly, in the event of a positive deviation of the actual value from the target value of the value representing the sealing position actuator deflection, the temperature of the second actuator, in particular the expansion element, can be reduced in order to set the target value of the sealing position actuator deflection.
Die jeweils aktuell benötigte Temperatur des Dehnstoffelements kann vorzugsweise mittels der zuvor eingeführten Gleichung (1) bestimmt werden.The currently required temperature of the expansion element can preferably be determined by means of equation (1) introduced above.
Wie bereits erläutert wurde, kann der Regelprozess auch während einer jeweiligen „öffnenden“ Flanke durchlaufen werden. Entsprechend kann dann zum Regeln der Ausstoß-Endposition in einem ersten Schritt eine Ausstoß-Endposition des Ausstoßelements eingestellt werden. In einem nächsten Schritt kann eine Position des Ausstoßelements in Abhängigkeit einer Auslenkung des ersten Aktors während einer Rückzugsbewegung des Ausstoßelements ermittelt werden. Besonders bevorzugt kann die Position des Ausstoßelements in Abhängigkeit einer an den ersten Aktor bzw. an den Piezoaktor angelegten elektrischen Steuerspannung bestimmt werden. Vorzugsweise können dazu wieder „Steuerspannung-Stößelposition“-Wertepaare erfasst werden, wie zuvor beschrieben wurde.As already explained, the control process can also be run through during a respective "opening" edge. Correspondingly, an ejection end position of the ejection element can then be set in a first step in order to regulate the ejection end position. In a next step, a position of the ejector element can be determined as a function of a deflection of the first actuator during a retraction movement of the ejector element. The position of the ejection element can particularly preferably be determined as a function of an electrical control voltage applied to the first actuator or to the piezo actuator. For this purpose, “control voltage / ram position” value pairs can again be recorded, as described above.
In einem weiteren Schritt kann dann ein Istwert eines die Dichtstellungs-Aktorauslenkung repräsentierenden Werts ermittelt werden. Der Istwert und der Sollwert eines die Dichtstellungs-Aktorauslenkung (des ersten Aktors) repräsentierenden Werts sind entsprechend so definiert, wie zuvor bei der „schließenden“ Flanke erläutert wurde.In a further step, an actual value of a value representing the sealing position actuator deflection can then be determined. The actual value and the setpoint of a value representing the sealing position actuator deflection (of the first actuator) are defined accordingly, as was previously explained for the "closing" edge.
In einem nachfolgenden Schritt kann der zweiten Aktor, bevorzugt das Dehnstoffelement, so gesteuert und/oder geregelt werden, insbesondere in Abhängigkeit einer Differenz zwischen dem Istwert des die Dichtstellungs-Aktorauslenkung repräsentierenden Werts und einem Sollwert des die Dichtstellungs-Aktorauslenkung repräsentierenden Werts, dass ein Sollwert des die Dichtstellungs-Aktorauslenkung repräsentierenden Werts eingestellt wird. Die Steuerung und/oder Regelung des zweiten Aktors erfolgt vorzugsweise so, wie dies zuvor entsprechend für eine „schließende“ Flanke beschrieben wurde.In a subsequent step, the second actuator, preferably the expansion element, can be controlled and / or regulated, in particular as a function of a difference between the actual value of the value representing the sealing position actuator deflection and a target value of the value representing the sealing position actuator deflection, that a target value of the value representing the sealing position actuator deflection is set. The control and / or regulation of the second actuator is preferably carried out as was described above for a “closing” edge.
Vorzugsweise kann der beschriebene Regelprozess (die Regelung auf die Soll-Dichtstellungs-Aktorauslenkung) im Betrieb des Dosiersystems in regelmäßigen Abständen durchlaufen werden, z. B. während jedes Ausstoßvorgangs des Stößels. Es ist allerdings bevorzugt, die je Ausstoßvorgang erfassten Ist-Werte der Dichtstellungs-Aktorauslenkung zunächst zu „Filtern“, z. B. um etwaige Messungenauigkeiten auszugleichen. Vorzugsweise kann ein Mittelwert und/oder ein Medianwert aus einer Anzahl von einzelnen Messwerten, z. B. 10 Einzelmessungen, gebildet werden, wobei dieser Median bzw. Mittelwert dann dem Regelprozess als jeweils aktuelle Führungsgröße (Sollwert der Dichtstellungs-Aktorauslenkung) wieder zugeführt werden kann.The described control process (the control to the target sealing position actuator deflection) can preferably be run through at regular intervals during operation of the metering system, e.g. B. during each ejection of the plunger. However, it is preferred to first “filter” the actual values of the sealing position actuator deflection recorded for each ejection process, e.g. B. to any Compensate for measurement inaccuracies. A mean value and / or a median value from a number of individual measured values, e.g. B. 10 individual measurements can be formed, this median or mean value can then be fed back to the control process as a current reference variable (setpoint of the sealing position actuator deflection).
Vorzugsweise kann bei einem ersten Ausstoßvorgang eine Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert des die Dichtstellungs-Aktorauslenkung repräsentierenden Werts ermittelt werden, wobei in Abhängigkeit der Differenz eine „neue“ Adjust-Temperatur bestimmt wird, um die Adjust-Position unter den aktuellen Betriebsbedingungen einzustellen.A difference between the actual value and the setpoint value of the value representing the sealing position actuator deflection can preferably be determined in a first ejection process, a “new” adjust temperature being determined as a function of the difference in order to set the adjust position under the current operating conditions.
Bevorzugt kann die während des (ersten) Ausstoßvorgangs ermittelte „neue“ Adjust-Temperatur zur Regelung des Dehnstoffelements während eines nachfolgenden (zweiten) Ausstoßvorgangs berücksichtigt werden. Das bedeutet, die Adjust-Temperatur kann im Betrieb kontinuierlich neu bestimmt werden.The “new” adjust temperature determined during the (first) ejection process can preferably be taken into account for regulating the expansion element during a subsequent (second) ejection process. This means that the adjust temperature can be continuously redefined during operation.
Besonders bevorzugt kann die Adjust-Temperatur in Abhängigkeit einer Anzahl von unmittelbar zuvor bestimmten Istwerten der Dichtstellungs-Aktorauslenkung, insbesondere nach einer „Filterung“ der Einzelwerte, kontinuierlich neu bestimmt werden.Particularly preferably, the adjust temperature can be continuously redetermined as a function of a number of actual values of the sealing position actuator deflection determined immediately beforehand, in particular after “filtering” the individual values.
Vorteilhafterweise kann über die Ermittlung der jeweils aktuellen Dichtstellungs-Aktorauslenkung eine besonders dynamische Regelung des Dehnstoffelements erfolgen. Insbesondere kann das Dehnstoffelement so geregelt werden, dass das Ausstoßelement bei jeder Ausstoßbewegung in die Adjust-Position gebracht wird. Vorteilhaft können dadurch verschiedene Störgrößen, wie z. B. thermische Ausdehnungseffekte des Piezoaktors, Verschleiß des Stößels und/oder der Düse etc., kompensiert werden. Insbesondere kann das Dehnstoffelement einerseits so geregelt werden, dass Undichtigkeiten bei der Dosierstoffabgabe vermieden werden können. Andererseits kann über die kontinuierliche Nachregelung der Soll-Dichtstellungs-Aktorauslenkung bzw. der Adjust-Temperatur die Dosiergenauigkeit auch im Dauerbetrieb, insbesondere bei variierenden Dosieranforderungen und/oder unter stark schwankenden Umgebungsbedingungen, weiter verbessert werden.A particularly dynamic regulation of the expansion element can advantageously take place by determining the current sealing position actuator deflection. In particular, the expansion element can be regulated in such a way that the ejection element is brought into the adjust position with each ejection movement. This can advantageously result in various disturbance variables, such as B. thermal expansion effects of the piezo actuator, wear of the plunger and / or the nozzle, etc., can be compensated. In particular, the expansion element can on the one hand be regulated in such a way that leaks can be avoided during the dispensing of the dosing substance. On the other hand, the continuous readjustment of the target sealing position actuator deflection or the adjust temperature can further improve the metering accuracy even in continuous operation, in particular with varying metering requirements and / or under strongly fluctuating ambient conditions.
Um die Adjust-Position des Stößels besonders effizient einstellen zu können, umfasst der zweiter Aktor, insbesondere das Dehnstoffelement, wie erwähnt, einen Expansionskörper sowie vorzugsweise einen damit gekoppelten verschiebbar gelagerten Überträger, z. B. einen bewegbaren Kolben.In order to be able to set the adjust position of the plunger particularly efficiently, the second actuator, in particular the expansion element, as mentioned, comprises an expansion body and preferably a slidably mounted transmitter coupled therewith, e.g. B. a movable piston.
Der Expansionskörper, der den Dehnstoff des Dehnstoffelements ausbildet, kann vorzugsweise ein Feststoff sein. Insbesondere kann der Expansionskörper bei den im Betrieb des Dosiersystems üblicherweise auftretenden Adjust-Temperaturen als Festkörper vorliegen. Beispielsweise kann der Expansionskörper bei Temperaturen bis zu 250°C, vorzugsweise bis zu 260°C, bevorzugt bis zu 350°C als Feststoff vorliegen. Vorzugsweise hat der Expansionskörper einen thermisch bedingten hohen Ausdehnungskoeffizienten, insbesondere einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als ein Metall oder eine Keramik eines Gehäuses des Dehnstoffelements. Beispielsweise kann der Ausdehnungskoeffizient des Expansionskörpers zumindest 23·10-6/K, vorzugsweise zumindest 45·10-6/K, bevorzugt zumindest 100·10-6/K, betragen. Ein geeignetes Material des Expansionskörpers kann ein Polymer sein, z. B. PEEK, PFA oder Polytetrafluorethylen.The expansion body, which forms the expansion material of the expansion element, can preferably be a solid. In particular, the expansion body can be present as a solid body at the adjust temperatures that usually occur during operation of the metering system. For example, the expansion body can be present as a solid at temperatures up to 250 ° C., preferably up to 260 ° C., preferably up to 350 ° C. The expansion body preferably has a thermally induced high coefficient of expansion, in particular a higher coefficient of expansion than a metal or a ceramic of a housing of the expansion element. For example, the expansion coefficient of the expansion body can be at least 23 · 10 −6 / K, preferably at least 45 · 10 −6 / K, preferably at least 100 · 10 −6 / K. A suitable material of the expansion body can be a polymer, e.g. B. PEEK, PFA or polytetrafluoroethylene.
Der Expansionskörper kann vorzugsweise in einem Gehäuse bzw. einer Kammer des Dehnstoffelements angeordnet sein, z. B. in einem Edelstahlgehäuse. Vorzugsweise kann das Gehäuse nach der Art einer hermetisch verschließbaren Kammer ausgebildet sein. Das bietet den Vorteil, dass der Dehnstoff in flüssiger Form in die Kammer eingebracht werden kann und dort, insbesondere blasenfrei, zu einem Festkörper aushärten kann.The expansion body can preferably be arranged in a housing or a chamber of the expansion element, for. B. in a stainless steel case. The housing can preferably be designed in the manner of a hermetically sealable chamber. This offers the advantage that the expansion material can be introduced into the chamber in liquid form and can harden into a solid there, in particular without bubbles.
Der zweite Aktor, insbesondere das Dehnstoffelement, kann vorzugsweise in einer axialen Richtung, z. B. entsprechend einer Längserstreckung des Piezoaktors, mit dem (ersten) Aktor gekoppelt sein, um den (ersten) Aktor im Gehäuse zu positionieren. Bevorzugt kann das Dehnstoffelement im Gehäuse des Dosiersystems mit dem Piezoaktor mechanisch in Reihe geschaltet sein. Vorzugsweise kann sich das Dehnstoffelement mit zumindest einer Seite, vorzugsweise einer vom (ersten) Aktor weg weisenden Seite, am Gehäuse des Dosiersystems abstützen.The second actuator, in particular the expansion element, can preferably be in an axial direction, for. B. be coupled to the (first) actuator in accordance with a longitudinal extension of the piezo actuator in order to position the (first) actuator in the housing. The expansion element in the housing of the metering system can preferably be mechanically connected in series with the piezo actuator. The expansion element can preferably be supported on the housing of the metering system with at least one side, preferably one side facing away from the (first) actuator.
Vorzugsweise ist das Dehnstoffelement so ausgebildet und so im Gehäuse angeordnet, dass nur eine in Richtung des Aktors weisende Druckseite des Dehnstoffelements verschiebbar ausgebildet ist. Bevorzugt kann die Druckseite in Richtung einer Längsachse des Aktors, insbesondere des Piezoaktors, verschoben werden. Dadurch kann erreicht werden, dass sich bei einer Volumenänderung des Expansionskörpers die Abmessungen des Dehnstoffelements im Wesentlichen nur in Richtung der Längsachse des Aktors ändern, wobei die lateralen Abmessungen des Dehnstoffelements überwiegend konstant bleiben („erzwungene Expansionsrichtung“). Die Volumenänderung des Dehnstoffs kann also in eine gerichtete Hubbewegung überführt werden, um den Aktor, insbesondere den Piezoaktor, vorzugsweise entsprechend seiner Längserstreckung zu verschieben.The expansion element is preferably designed and arranged in the housing in such a way that only one pressure side of the expansion element pointing in the direction of the actuator is designed to be displaceable. The pressure side can preferably be shifted in the direction of a longitudinal axis of the actuator, in particular of the piezo actuator. This means that when the volume of the expansion body changes, the dimensions of the expansion element change essentially only in the direction of the longitudinal axis of the actuator, with the lateral dimensions of the expansion element remaining predominantly constant (“forced expansion direction”). The change in volume of the expansion material can therefore be converted into a directed stroke movement in order to move the actuator, in particular the piezo actuator, preferably in accordance with its longitudinal extension.
Zur Positionierung des Aktors kann das Dehnstoffelement, insbesondere dessen Druckseite, mittels eines Überträgers mit dem Aktor gekoppelt sein. Vorzugsweise kann eine Hubbewegung des Dehnstoffelements mittels des Überträgers überwiegend vollständig auf den Aktor übertragen werden, um diesen im Gehäuse zu bewegen. Die Kopplung zwischen Dehnstoffelement (Überträger) und (erstem) Aktor muss, wie eingangs gesagt, keine feste Verbindung sein. Vorzugsweise kann die Kopplung derart erfolgen, dass eine Wirkeinheit aus Dehnstoffelement und Aktor im Betrieb unter konstanter Vorspannung gehalten wird, insbesondere auch in einem nicht-ausgelenkten Zustand des (ersten) Aktors. Beispielsweise könnte eine vom Aktor weg weisende Seite des Dehnstoffelements mittels einer verstellbaren Kugelkalotte gegenüber dem Gehäuse des Dosiersystems verstellbar gelagert sein.In order to position the actuator, the expansion element, in particular its pressure side, can be coupled to the actuator by means of a carrier. A stroke movement of the expansion element can preferably be transmitted predominantly completely to the actuator by means of the carrier in order to move it in the housing. As mentioned at the beginning, the coupling between the expansion element (transmitter) and the (first) actuator does not have to be a fixed connection. The coupling can preferably take place in such a way that an active unit composed of expansion element and actuator is kept under constant pretension during operation, in particular also when the (first) actuator is in a non-deflected state. For example, a side of the expansion element facing away from the actuator could be mounted so as to be adjustable by means of an adjustable spherical cap relative to the housing of the metering system.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen schematisch:
-
1 eine im Schnitt dargestellte Ansicht eines Dosiersystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, -
2 und3 Teile des Dosiersystems aus1 in einer vergrößerten Ansicht, -
4 bis6 Teile des Dosiersystems aus1 in einer nochmals vergrößerten und stark vereinfachten Ansicht, -
7a bis7c Flussdiagramme von Abschnitten eines Verfahrens zur Steuerung des Dosiersystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, -
8 bis 12 Darstellungen von Funktionsgraphen zur Verdeutlichung von Unterabschnitten des Verfahrens gemäß der7a bis7c zur Steuerung des Dosiersystems.
-
1 a sectional view of a dosing system according to an embodiment of the invention, -
2 and3 Parts of thedosing system 1 in an enlarged view, -
4th to6th Parts of thedosing system 1 in a further enlarged and simplified view, -
7a to7c Flow charts of sections of a method for controlling the dosing system according to an embodiment of the invention, -
8th to12 Representations of function graphs to illustrate subsections of the method according to FIG7a to7c to control the dosing system.
Anhand
Das Dosiersystem
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Aktoreinheit
Die Kupplungsmechanik
Die Kugelkalotten
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Aktoreinheit
Zur Ansteuerung des Piezoaktors
Am hier oberen (von der Düse
An der Seite, an der der Expansionskörper
Ein Nennhub einer solchen Anordnung, also ein Ausmaß einer möglichen Verschiebung des Piezoaktors
Zur Steuerung der Ausdehnlänge des Expansionskörpers
Die „dosiersystemeigene“ Steuereinheit
Das Dosiersystem
Allerdings umfasst die Kühleinrichtung
Mittels des zweiten Proportionalventils
Um den Piezoaktor
Der Hebel
In der Aktionskammer
Der Hebel
Zur Positions- und/oder Bewegungsmessung des Stößels
In
Die Zuführung des Dosierstoffs zur Düse
Die Fluidikeinheit
In den
In
In einem nachfolgenden Schritt (
In
In
Weitere Einzelheiten des Justageprozesses ergeben sich auch aus den
In
In einem ersten Schritt
Während der Aufheizung des Dehnstoffelements erfolgt eine Messung der Stößelposition in Relation zur Temperatur des Dehnstoffelements (Schritt
Die Ermittlung des Vollkontakts erfolgt in dem Verfahrensunterabschnitt
Sobald ein Vollkontakt zwischen Stößel und Düse erfolgt ist, und der Stößel in die Düse gepresst wird, ändert sich die Stößelposition S trotz kontinuierlichem Temperaturanstieg T langsamer als vor dem Vollkontakt. Daher stellt sich ein neues Verhältnis zwischen Stößelposition S und Temperatur T ein, das hier als Gerade mit einer flacheren Steigung
Die Dauer bis zum Erreichen des Vollkontakts kann z. B. in etwa 1 Minute betragen. Es ist auch denkbar das Dehnstoffelement dynamisch zu beheizen, um so den Vollkontakt schneller zu erreichen. Beispielsweise kann das Dehnstoffelement in verschiedenen Phasen unterschiedlich stark beheizt werden, wobei dann eine mittlere Steigung
Sobald der Vollkontakt in Schritt
In Schritt
Die Ermittlung der Adjust-Position im Verfahrensunterabschnitt
Anders als hier gezeigt, kann die Adjust-Position
In Schritt
In
Im ersten Schritt
In
In einem ersten Schritt
In Schritt
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, den zuvor beschriebenen Prozess, insbesondere die Erfassung von „Steuerspannung-Stößelposition“-Wertepaaren über die Zeit, bei einer öffnenden Flanke durchzuführen. Dies kann den Vorteil haben, dass die öffnende Flanke langsamer abläuft als die schließende Flanke, wobei eine noch höhere Messgenauigkeit erreicht werden kann. Bei dieser Variante kann der iterative Teilschritt
Nachfolgend wird der Verfahrensunterabschnitt
Zu Beginn der Aufzeichnung ist eine Spannung
Im Zeitpunkt
Im Zeitpunkt
Die elektrische Steuerspannung U des Piezoaktors wird über
Auf Grundlage der so bestimmten Vollkontakt-Position
In
Bei
Im Zeitraum
Die Differenz
Um dennoch eine bestimmte Dichtkraft zu erreichen, kann die Federsteifigkeit des Gesamtsystems bei der Berechnung der Adjust-Position
Im Zeitraum
In
Der Stößel wird über
Die Steuerspannungsdifferenz
Bei Vollkontakt (Zeitpunkt
Auf Grundlage der jeweils ermittelten tatsächlichen Dichtstellungs-Aktorauslenkung (Istwert
Sofern der Sollwert nicht unterschritten wird (Schritt
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Dosiersystemen bzw. Steuerverfahren für Dosiersysteme lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. So müssen z. B. bei dem erläuterten Steuerverfahren nicht immer zwingend alle Verfahrensschritte durchlaufen werden bzw. die Verfahrensschritte könnten auch in einer anderen Reihenfolge abgearbeitet werden. Weiterhin kann der Regelalgorithmus auch während der jeweils anderen, im Rahmen der Anmeldung nicht beschriebenen „öffnenden“ bzw. „schließenden“ Flanke durchlaufen werden. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.Finally, it is pointed out once again that the metering systems or control methods for metering systems described in detail above are merely exemplary embodiments which can be modified in the most varied of ways by the person skilled in the art without departing from the scope of the invention. So z. For example, in the case of the control method explained, it is not always necessary to run through all process steps or the process steps could also be processed in a different order. Furthermore, the control algorithm can also be run through during the other “opening” or “closing” flank not described in the registration. Furthermore, the use of the indefinite article “a” or “an” does not exclude the possibility that the relevant characteristics can also be present several times.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- DosiersystemDosing system
- 1010
- AktoreinheitActuator unit
- 1111
- Gehäusecasing
- 11a, 11b11a, 11b
- Gehäuseblock / Komponenten des GehäusesHousing block / components of the housing
- 1212th
- AktorkammerActuator chamber
- 1313
- AktionskammerAction Chamber
- 1414th
- BewegungsmechanismusMovement mechanism
- 1515th
- Durchbruchbreakthrough
- 1616
- Hebellever
- 1717th
- Kontaktfläche HebelContact surface lever
- 1818th
- HebellagerLever bearing
- 1919th
- AktorfederActuator spring
- 2020th
- erster Aktor / Piezoaktorfirst actuator / piezo actuator
- 2121st
- PiezostackPiezostack
- 2222nd
- Piezoaktor-GehäusePiezo actuator housing
- 2323
- DrückstückPush piece
- 3030th
- zweiter Aktor / Dehnstoffelementsecond actuator / expansion element
- 3131
- Gehäuse (Dehnstoffelement)Housing (expansion element)
- 3232
- ExpansionskörperExpansion body
- 3333
- Heizeinrichtung (Dehnstoffelement)Heating device (expansion element)
- 3434
- Kühlbereich/Kühlkammer (Dehnstoffelement)Cooling area / cooling chamber (expansion element)
- 3535
- Kolbenpiston
- 3636
- ZentrierelementCentering element
- 4040
- KühleinrichtungCooling device
- 4141
- Koppelstelle KühlmediumzuführungCoupling point cooling medium supply
- 42, 42', 42"42, 42 ', 42 "
- Zuströmkanal (Kühlmedium)Inflow channel (cooling medium)
- 4343
- Proportionalventil (Dehnstoffelement)Proportional valve (expansion element)
- 4444
- Proportionalventil (Piezoaktor)Proportional valve (piezo actuator)
- 4545
- Ausströmkanal (Kühlmedium)Outflow channel (cooling medium)
- 4646
- Koppelstelle KühlmediumabführungCoupling point cooling medium discharge
- 5050
- FluidikeinheitFluidic unit
- 5151
- Ausstoßelement / StößelEjection element / ram
- 5252
- StößelspitzeRam tip
- 5353
- StößelkopfRam head
- 5454
- Kontaktfläche StößelPlunger contact surface
- 5555
- StößelfederTappet spring
- 5656
- StößelzentrierstückRam centering piece
- 5757
- StößellagerTappet bearings
- 5858
- StößeldichtungPlunger seal
- 6060
- Düsejet
- 6161
- AustrittsöffnungOutlet opening
- 6262
- DüsenkammerNozzle chamber
- 6363
- DichtsitzSealing seat
- 6464
- ZuführkanalFeed channel
- 6565
- Reservoir-SchnittstelleReservoir interface
- 6666
- Medium-KartuscheMedium cartridge
- 6767
- Kartuschen-HalterungCartridge holder
- 6868
- Druckluft-Zuführung KartuscheCompressed air supply cartridge
- 6969
- AnschlusskabelConnection cable
- 7070
- KupplungsmechanikClutch mechanism
- 7171
- KupplungsfederClutch spring
- 7272
- KugelBullet
- 7373
- SteckkupplungsteilPlug-in coupling part
- 7474
- KugelkalotteSpherical cap
- 7575
- Heizeinrichtung (Düse)Heater (nozzle)
- 8080
- Steuereinheit (Dosiersystem)Control unit (dosing system)
- 8181
- Steuereinheit-AnschlusskabelControl unit connection cable
- 8282
- Temperatursensor (Medium)Temperature sensor (medium)
- 8383
- Temperatursensor (Dehnstoffelement)Temperature sensor (expansion element)
- 8484
- Hall-SensorHall sensor
- 8585
- Magnet magnet
- 77th
- Erster VerfahrensabschnittFirst stage of the procedure
- 7-I. bis 7-XIV.7-I. to 7-XIV.
- Verfahrensschritte (Erster Verfahrensabschnitt)Process steps (first process stage)
- 7-i.7-i.
- Iterativer Verfahrensschritt (Erster Verfahrensabschnitt)Iterative process step (first process step)
- 7-D, 7-E7-D, 7-E
- Verfahrensunterabschnitte (Erster Verfahrensabschnitt)Procedural sub-sections (first procedural section)
- 88th
- Zweiter VerfahrensabschnittSecond stage of the procedure
- 8-I. bis 8-VI.8-I. to 8-VI.
- Verfahrensschritte (Zweiter Verfahrensabschnitt)Process steps (second process stage)
- 99
- Dritter VerfahrensabschnittThird stage of the procedure
- 9-I. bis 9-IX.9-I. to 9-IX.
- Verfahrensschritte (Dritter Verfahrensabschnitt)Process steps (third process stage)
- 9-iii., 9-iv.9-iii., 9-iv.
- Iterative Verfahrensschritte (Dritter Verfahrensabschnitt)Iterative process steps (third process stage)
- 9-G9-G
- Verfahrensunterabschnitt (Dritter Verfahrensabschnitt) Procedural sub-section (third procedural section)
- aa
- Abstand (Stößelspitze : Düse)Distance (plunger tip: nozzle)
- m1, m2m1, m2
- Verhältnis (Stößelposition : Temperatur)Ratio (ram position: temperature)
- m1', m2', m3', m4'm1 ', m2', m3 ', m4'
- Verhältnis (Stößelposition : Zeit)Ratio (slide position: time)
- KK
- KippachseTilt axis
- H1, H2, H3 H 1 , H 2 , H 3
- (Hydraulisch) wirksamer Hub(Hydraulically) effective stroke
- RR.
- AusstoßrichtungDirection of ejection
- RS, RS'RS, RS '
- Bewegungsrichtung StößelDirection of movement of the slide
- S1, S1', S2, S2', S3, S4, S5 S 1 , S 1 ' , S 2 , S 2' , S 3 , S 4 , S 5
- StößelpositionRam position
- t0- t4 t 0 - t 4
- ZeitpunktePoints in time
- t0' -t5' t 0 ' -t 5'
- ZeitpunktePoints in time
- t0" - t7'' t 0 " - t 7"
- ZeitpunktePoints in time
- T1, T2 T 1 , T 2
- Temperatur (Dehnstoffelement)Temperature (expansion element)
- U1, U2, U3 U 1 , U 2 , U 3
- Spannung (Piezoaktor)Voltage (piezo actuator)
- ΔU, ΔU1, ΔU2, ΔU3, ΔU4 ΔU, ΔU 1 , ΔU 2 , ΔU 3 , ΔU 4
- Spannungsdifferenz / IstwertVoltage difference / actual value
Claims (15)
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-
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